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  高強度水凝膠是一類具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡的軟濕性材料，在柔性電子器件、生物組織替代、組織工程支架等領域有巨大的應用潛力。賦予水凝膠材料自愈合（自修復）能力可以自動修復損傷，恢復其結(jié)構(gòu)和功能，從而提高凝膠材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延長其使用壽命。高強度水凝膠的聚合網(wǎng)絡需要強度較高且穩(wěn)定的交聯(lián)，而實現(xiàn)水凝膠自愈合需要動態(tài)可逆的交聯(lián)，但是高強度和自愈合從本質(zhì)上來講是相互矛盾的，因此如何制備同時具有高機械強度和優(yōu)異自愈性能的水凝膠材料是水凝膠研究中的一項重要挑戰(zhàn)。

圖1 水凝膠的制備方法、形貌和形成機理

  北京林業(yè)大學材料科學與技術學院楊俊副教授課題組報道了一種基于納米纖維素增強，并同時具有優(yōu)異粘附性和自愈合特征的復合水凝膠材料。通過在納米纖維素表面均勻涂布單寧酸并進行自由基原位聚合，形成具有動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)特征的高強度凝膠材料。該凝膠材料可直接黏附到人體的皮膚上，用來檢測手指彎曲等大形變以及脈搏跳動等微弱的生理信號。成功將組裝的凝膠傳感器應用于投籃訓練的姿勢矯正，通過人體運動實時監(jiān)測系統(tǒng)在智能手機客戶端對用戶健康狀況進行分析和診斷。本工作為設計纖維素基的多功能水凝膠提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性電子和醫(yī)療保健監(jiān)測的實際應用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”為題在線發(fā)表在《Chemistry of Materials》(工程技術一區(qū)TOP期刊， IF: 9.89 )期刊上。

圖2 水凝膠作為應變傳感器的應用探索

  最近，該課題組又根據(jù)生物體組織力學特性，將單寧酸包覆的納米纖維素均勻分散到聚乙烯醇和硼酸體系中，成功地制備出一種具有應變硬化特性的動態(tài)粘附性凝膠材料，這種具有仿生動態(tài)力學特征的凝膠材料與人體軟骨組織具有相似性，為后續(xù)探索其在生物醫(yī)學材料領域的應用提供了新的途徑。該研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”為題在線發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(工程技術一區(qū)TOP期刊， IF: 8.097)期刊上。

圖3 具有動態(tài)粘附特征的凝膠材料力學行為

  上述研究論文第一作者是2018級博士研究生邵長優(yōu)，楊俊副教授為該系列工作的獨立通訊作者，相關工作得到國家自然科學基金面上項目（21674013, 21404011）和中央高�；緲I(yè)務費專項資金部分資助（2017ZY35）。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b01172

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b21588