馬里蘭大學胡良兵Adv. Mater.：受肌肉啟發的高度各向異性、高強且離子導電的水凝膠

【引言】

近年來，基于3D結構、良好的柔性和生物相容性以及高含水量等特點，水凝膠材料已經在諸如藥物遞送、軟執行器、電化學器件和人工肌肉等生物醫學和生物工程領域發揮重要作用。然而，大多數的纖維素基水凝膠材料微觀結構有序度和宏觀機械性能都比較差，極大限制了其應用價值。定向冷凍、靜電排斥、拉伸或壓縮誘導重新定向以及自組裝等多種方法被證實能夠一定程度上提高水凝膠的機械性能，但是水凝膠材料的拉伸強度仍然沒有達到10 MPa（生物組織強度）。從仿生角度來說，在水凝膠網絡結構中引入類似肌肉組織中的高度有序納米結構為獲得高度各向異性、高強水凝膠提供了機會。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組結合天然木材的高拉伸強度和水凝膠的柔性、高含水量等特點，實現了高度各向異性、高強且離子導電的木材水凝膠的制備。研究表明，有序纖維素納米纖維與聚合物分子鏈之間存在較強的氫鍵作用和交聯結構，使得木材水凝膠的拉伸強度高達36 MPa，是目前報道的強度最高的水凝膠材料之一。此外，由于有序纖維素納米纖維帶有負電荷，該種木材水凝膠還可以作為納米流體導管實現類似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。該成果以題為"Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels"發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1木材水凝膠的結構和微觀網絡示意圖

(a) 常見的柔性橫紋肌肉組織示意圖；

(b) 7 cm長的木材水凝膠樣品扭曲180度的照片；

(c) 木材水凝膠內部PAM分子鏈之間氫鍵和共價交聯示意圖。

圖2木材水凝膠和白木的光學以及SEM圖片

(a) 去除木質素后白木的照片；

(b) 白木的放大圖像清晰地展現出有序的纖維排列；

(c) 白木的高倍SEM圖片證實了有序纖維素納米纖維；

(d) 沿L方向彎曲的水凝膠照片；

(e) 沿R方向彎曲0.01 M的水凝膠照片；

(f) 沿L和R方向彎曲的水凝膠都可以迅速恢復原始柱狀結構而沒有斷裂或者塑性形變；

(g) 去除木質素后木塊R方向橫截面的SEM圖像，顯示其內表面有許多孔；

(h) 與PAM水凝膠形成木材水凝膠的R方向橫截面的SEM圖像；

(i) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示出詳細的微觀結構；

(j) 白木的L方向橫截面SEM圖像；

(k) 木材水凝膠的L方向橫截面SEM圖像；

(l) 木材水凝膠的放大SEM圖像。

圖3 木材水凝膠的力學性質

(a) PAM水凝膠和木材水凝膠R方向上的應力-應變曲線；

(b) 木材水凝膠L方向上的應力-應變曲線；

(c) 與其他水凝膠相比的極限拉伸強度；

(d) 木材水凝膠的SEM側視圖圖像，顯示PAM網絡和白木孔道的詳細微觀結構；

(e, f) 木材水凝膠的放大SEM圖像，顯示有序纖維素納米纖維也通過氫鍵與PAM分子鏈交聯；

(g) PAM高分子鏈與有序纖維素納米纖維間氫鍵結合的示意圖。

圖4 木材水凝膠中的離子傳輸

(a) 木材水凝膠中離子傳輸的機制示意圖；

(b) 測試電路的示意圖；

(c) 10^-5 M KCl溶液中木材水凝膠的Zeta電位；

(d) 木材水凝膠和KCl溶液在pH 7左右時，離子電導率與KCl濃度的關系圖。

【小結】

本文受肌肉組織結構的啟發制備了一種高度各向異性、高強且離子導電的木材水凝膠材料，其中天然木材提供剛性骨架結構而聚合物鏈作為交聯網絡。該種木材水凝膠沿L方向的拉伸強度達到36 MPa，而且離子電導率為5 × 10^-4 S cm^-1。因此，有序微結構的仿生設計能夠較好地平衡機械性能、離子導電率以及規模化制備等因素，提供了先進水凝膠材料設計的新方向。同時，木材水凝膠的這些優點使得它們有望在軟組織、智能傳感器設備以及納米流體器件等領域得到應用。

文獻鏈接：Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels??(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801934)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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