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南京林業(yè)大學(xué)陳楚楚 Green Chem.：受螃蟹蛻殼啟發(fā)的超薄、強(qiáng)韌、透明水凝膠
2025-02-09  來(lái)源：高分子科技

  自然界中，生物體通過(guò)不斷進(jìn)化，建立了有序且堅(jiān)固的組織結(jié)構(gòu)，以抵御環(huán)境危害。蟹殼由于獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，以及甲殼素、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)（碳酸鈣）等組分間的協(xié)同作用而具有較好的機(jī)械性能。一個(gè)有意思的自然現(xiàn)象是，螃蟹會(huì)經(jīng)歷多次蛻殼過(guò)程：在蛻殼的早期，CaCO3（主要是結(jié)晶方解石和文石）被吸收到體液中，轉(zhuǎn)化為生物來(lái)源的ACC（無(wú)定形碳酸鈣），并與甲殼素、蛋白相互作用，形成柔軟且強(qiáng)韌的外殼，這與蛻殼后我們常見(jiàn)的堅(jiān)硬蟹殼有明顯的不同。


  近期，南京林業(yè)大學(xué)陳楚楚課題組受螃蟹蛻殼的啟發(fā)，提出了一種雙重仿生策略，通過(guò)構(gòu)建具有層狀結(jié)構(gòu)的三維甲殼素微納米纖維（ChMNF）網(wǎng)絡(luò)，引入納米分離礦物（無(wú)定形碳酸鈣，ACC）-丙烯酸聚合物（PAA）無(wú)定形無(wú)機(jī)雜化基質(zhì)，開(kāi)發(fā)了一種集多功能一體的ChMNF-PAA-ACC（CPA）水凝膠。該水凝膠同時(shí)具備高強(qiáng)度（~28.6 MPa）、高透光率（~88.1%）、低霧度（~1.86%）、良好的溶脹性能、固有的熒光性和導(dǎo)電性等優(yōu)勢(shì)。基于這些優(yōu)點(diǎn)，組裝的CPA水凝膠基傳感器可以檢測(cè)多種外部刺激（如應(yīng)變、壓力和溫度），在柔性傳感等應(yīng)用中顯示出良好的潛力。


圖1.CPA水凝膠的仿生制備


  該研究從天然蟹殼中提取甲殼素微納米纖維（ChMNF），制備出仿蟹殼骨架的層狀ChMNF網(wǎng)絡(luò)，再與聚丙烯酸（PAA）復(fù)合，形成ChMNF-PAA復(fù)合材料。最后，將合成的ACC引入ChMNF-PAA模板中，制備出了蛻殼仿生的ChMNF-PAA-ACC水凝膠。


圖2.CPA水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)


力學(xué)性能、光學(xué)性能、導(dǎo)電性能、溶脹性能


  由于構(gòu)建了三維甲殼素微納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了穩(wěn)定良好的ACC和PAA的無(wú)定形無(wú)機(jī)雜化基質(zhì)，CPA-16水凝膠拉伸強(qiáng)度高達(dá)28.6 MPa，且經(jīng)過(guò)多次干-濕循環(huán)后，仍可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，幾乎沒(méi)有任何機(jī)械強(qiáng)度的損失。除此之外，CPA水凝膠的透光率高達(dá)88.1%，霧度低至1.86%，且具備一定的導(dǎo)電性能，可應(yīng)用于柔性可穿戴電子設(shè)備中。


圖3.CPA水凝膠的力學(xué)性能、光學(xué)性能、導(dǎo)電性能、溶脹性能


CPA水凝膠基柔性傳感


  基于柔、軟、薄的特性，組裝的CPA水凝膠基傳感器可以監(jiān)測(cè)人體各種微細(xì)活動(dòng)。例如，CPA基傳感器對(duì)皮膚變形表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，可以監(jiān)測(cè)微小的人體活動(dòng)以及環(huán)境變化；其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間快至0.08 s，在多功能柔性傳感材料中顯示出良好的應(yīng)用前景。


圖4.CPA水凝膠基柔性傳感


熒光特性


  在這項(xiàng)工作中，ChMNF、CP和CPA樣品在365 nm紫外光下時(shí)都表現(xiàn)出固有的熒光特性。其中，ChMNF發(fā)出藍(lán)光，CP水凝膠表現(xiàn)出明亮的藍(lán)綠色發(fā)射，而CPA則表現(xiàn)出橙色發(fā)射。該特性拓寬了CPA水凝膠在防偽、智能檢測(cè)、生物傳感器等方面的應(yīng)用。


圖5.CPA水凝膠熒光特性


  該工作以題為“Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells”的論文發(fā)表在期刊《Green Chemistry》。論文通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳楚楚副教授，該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。

  論文信息：

  Yamei Zao, Muqiu You, Jieru Ma, Xiaoyu Du, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Chuchu Chen*. Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells, Green Chem, 2025. DOI: 10.1039/D4GC05711B

  https://doi.org/10.1039/D4GC05711B

  下載：Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells

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