摘要：水凝胶，即注水聚合物网络，在广泛的领域都有新兴的应用，如人造皮肤、生物电子学、能量收集和水净化。水凝胶在这些复杂场景中的广泛应用要求高机械性能和耐用性。迄今为止，人们为提高水凝胶的力学性能做出了无数努力。在双网络构建的开创性工作的基础上，坚韧的水凝胶也通过与纳

第一作者：Yuhang Ye

通讯作者：Feng Jiang

通讯单位：不列颠哥伦比亚大学

DOI: 10.1039/D4MH01645A

背景介绍

水凝胶，即注水聚合物网络，在广泛的领域都有新兴的应用，如人造皮肤、生物电子学、能量收集和水净化。水凝胶在这些复杂场景中的广泛应用要求高机械性能和耐用性。迄今为止，人们为提高水凝胶的力学性能做出了无数努力。在双网络构建的开创性工作的基础上，坚韧的水凝胶也通过与纳米材料的杂交、控制晶域的形成、采用多功能交联剂和疏水性聚集体和相分离积极制备。尽管这些方法有效地提高了水凝胶的力学性能，但它们通常在单个尺度上增强水凝胶（例如，通过交联在分子尺度上增强，通过纳米增强在纳米尺度上强化，或通过相分离或聚集体的形成在纳米/微尺度上增强），而不是在多个层次尺度上协同解决问题。

天然水凝胶（如植物中的细胞壁和动物组织中的软骨）由于其层次结构而表现出显著的机械弹性。这种层次结构从微观纤维排列到晶体单元内的分子排列，通过多尺度能量耗散产生无与伦比的机械韧性。受大自然设计的启发，研究人员开始开发仿生水凝胶，展现出显著的力学特性。例如，He等人开创了一种冷冻辅助盐析方法，以制备具有卓越坚固性和可拉伸性的水凝胶。这种水凝胶具有微尺度各向异性聚合物链排列和氢键促进的分子尺度链相互作用。在此基础上，通过整合离子增强、溶剂替代和退火等互补策略，合成了一系列机械上坚固的水凝胶。尽管通过引入分层能量耗散机制在增韧水凝胶方面取得了重大进展，但其制造工艺和后续处理的复杂性对实际应用中的可扩展性提出了挑战。此外，这些机制的适用性主要在有限的聚合物阵列中得到了证明，如聚乙烯醇（PVA）和明胶。因此，必须设计一种简单而稳健的多尺度增韧策略来提高水凝胶的力学性能。

糖作为生命物质最重要的组成部分之一，根据其不同的分子结构和构象提供多种功能。通过调节聚合度和结晶度，它们的分子大小可以很容易地从埃（单糖）调整到纳米和微米（多糖和多糖束）。此外，由于存在丰富的羟基，不同尺寸的糖（葡萄糖或纤维素纳米纤维）已被广泛用于增强水凝胶的机械性能，这是由于氢键网络的构建用于能量耗散。基于这些事实，人们高度期望选择性地使用多维糖可以满足多尺度增韧机制的要求，尽管此前尚未进行过研究。

本文亮点

1. 本工作提出了一种使用糖基材料优化水凝胶网络的多尺度氢键增韧策略。分子尺度的单糖（葡萄糖）和纳米/微米尺度的多糖（纤维素纳米纤维）可以在水凝胶网络内的不同尺度上有效地形成氢键，从而显著提高力学性能。

2. 增韧水凝胶具有优异的环境弹性和较差的耐溶剂性，使其能够在各种恶劣环境中保持性能。

3. 在与乙醇等不良溶剂交换后，alcogel表现出应变依赖的鲜艳干涉色，使其能够作为机械光学传感器发挥作用。

图文解析

图1. 代表概念设计和材料准备的示意图。（a） 糖类的层次结构特征；（b） 说明糖诱导的多尺度氢键增韧机制的示意图。

图3. 对机械性能的增强作用。（a） 不同水凝胶系统的典型应力-应变曲线；（b） –（e）各种水凝胶系统的应力、应变、断裂功和杨氏模量；（f） 展示不同水凝胶系统刚度差异的数码照片；（g） 根据增强因子和最大韧性，将该策略与其他报道的方法进行比较，每种方法有三个代表性的例子。这些报道的策略包括使用高功能交联剂、双网络结构、纳米材料杂交和使用大块材料作为模板。

图5. 耐溶剂性差和构象变化导致干涉色。（a） 乙醇处理的g-PAM/CNF和PAM凝胶的拉伸试验应力-应变曲线；（b） 乙醇处理的g-PAM/CNF和PAM凝胶的应变和断裂功；（c） 说明双折射产生干涉色的机理的示意图；（d） g-PAM/CNF凝胶在偏振器下随应变的颜色变化（蓝色框表示未处理的水凝胶，红色框表示凝胶）；（e） CIE色度坐标内的色谱。

图6. 作为生物电子接口的演示。（a） 数码照片显示了应用水凝胶作为界面后EMG电极的一致性增强。（b） 以及（c）立即和12小时后由基于g-PAM/CNF水凝胶的电极记录的EMG脉冲。（d） 基于EMG信号分析相应的信噪比（SNR）值。（e） 以及（f）应用PAM水凝胶电极后立即和12小时后记录的心电图脉冲。（g） 基于肌电信号分析PAM电极的相应信噪比值。

来源：华算科技