Adv. Mater. :東華大學研發高壓敏電導率形狀記憶納米纖維組裝水凝膠

【引言】

環境友好型、高含水量的水凝膠因具有生物相容性、反生物污染行為和感受外部刺激能力等優點而受到關注，并廣泛用于生物醫藥、環境和能源等領域。通過可擴展的方法制備的超彈性、蜂窩狀3D納米纖維水凝膠彈性體（NFHs）具有可調節的含水量和形狀、極低的密度、非常好的循環壓縮性、零泊松比、優良的熱穩定性、彈性響應導電性和低壓力敏感性。該水凝膠可在較寬的范圍內檢測動態壓力且靈敏度高，同時具備形狀記憶功能。

【成果簡介】

近日，東華大學長江特聘教授丁彬教授（通訊作者）課題組在Adv. Mater.上發表了一篇題為 “Ultrahigh-Water-Content, Superelastic, and Shape-Memory Nanofiber-Assembled Hydrogels Exhibiting Pressure-Responsive Conductivity” 的文章。該研究團隊通過實驗證明蜂巢具有較高的結構強度和與水凝膠相似的表觀密度，并利用可擴展的方法將藻酸鹽與柔性SiO₂納米纖維組合，制備超彈性、蜂窩狀的納米纖維水凝膠（NFH），從80％應變完全恢復、零泊松比、記憶行為、注射性和彈性響應，并靈敏地檢測寬范圍（>50Pa）的動態壓力（0.24kPa^-1）和耐久性（100個循環）。此類材料可以為設計和開發新的多功能水凝膠提供重要借鑒意義。

【圖文導讀】

圖1 NFHs的合成示意圖及合成原料的表征

（a）均勻藻酸鹽/納米纖維分散體通過高速勻漿制備。合成原理圖：1.均勻的納米SiO₂纖維分散液；2. 液氮冷卻分散液；3. 冷凍干燥制備NFHs；

（b）含水量99.8wt%的NFHs的光學照片；

（c-e）三種不同網絡結構納米纖維的水平示意圖：藻酸鹽/SiO₂復合納米纖維，藻酸鹽凝膠和通過Al³⁺的離子交聯；

（f-h）NFHs在不同放大倍數下的顯微結構照片，驗證了仿生蜂巢的多孔纖維結構；

（i）具有相應的單個納米纖維的STEM-EDS圖像，EDS圖譜分析顯示元素Si，O和Al均勻分布；

（j）三個不同長度尺度的四層結構示意圖。

（f-h）展示了細胞結構在三個不同的長度尺度上可以簡化為四級層次結構：整個樣品（>1mm），單位細胞（10-30μm），細胞壁（1-2μm）和納米纖維（50-300nm）。

圖2 NFHs力學性能表征及與其他生物質衍生的水凝膠性能比較

（a）沿加載方向NFHs的壓縮應力-應變曲線及壓縮循環的側面圖：NFHs展現了優異的機械性能，可以承受很大的變形而不產生裂縫；

（b）由各種金屬陽離子交聯的NFH的壓縮σ對ε曲線；

（c）NFHs的泊松比隨壓縮應變變化曲線：表明即使是在微米級尺度，泊松比仍然接近于0，無論是壓縮還是放松，都與應變關系不大，這體現了NFHs體結構與微觀結構的一致性；插圖：壓縮前后NFH的光學顯微鏡觀察；

（d）納米纖維細胞壁在壓力下的轉變示意圖：由圖可以看出，納米纖維細胞壁在壓力下的轉化是各向同性的，而這中轉變對于解釋泊松比接近為0至關重要；

（e）1000次應變增加到50%的循環壓縮實驗：表明了NFHs在此應力下僅有相對較小的塑性變形，表現出了優異的抗疲勞性；

（f）楊氏模量、能量損失系數及最大應力對應疲勞實驗周期曲線：表明經過1000次循環壓縮實驗后，楊氏模量、能量損失系數和最大應力并未降低很多，仍能達到最初的65%；

（g）NFHs具有低固體含量的所選水凝膠的相對楊氏模量；

（h）光學照片顯示NFH的保水能力，約10mg的擠壓和干燥的NFH樣品可以容納約5g的水。

圖3 應力、應變、角頻率對NFHs電導率、機械性能的影響

（a）NFHs及其他生物質衍生水凝膠的電導率-低相對密度曲線：由圖可知NFHs的電導率高于其他水凝膠，且電導率與密度成冪次關系，驗證了CNFAs的高效率細胞結構；

（b）角頻率NFH的儲存和損耗模量的依賴性（振蕩ε為±5％）；

（c）在水中，干燥和擠壓的NFH可以快速恢復到原來的形狀；

（d）NFH通過狹窄的注射器針頭的注射行為。

圖4 CNFAs的壓力敏感性測試

（a）NFH和其他選擇的高水量水凝膠的電導率內容；

（b）NFH和純水（無水凝膠用于控制）的當前反應為a壓縮函數ε；插圖顯示，燈泡亮度隨著壓縮率的增加而增加；

（c）100次循環電流壓縮響應試驗，ε分別為0%和50％；

（d）NFHs對不同壓力的及時響應，其中虛線表示兩條不同靈敏度的曲線：壓力P為0-3kPa時，壓力靈敏度S為0.041kPa^-1；P>3kPa時，S快速增加為0.24 kPa^-1。

【小結】

該研究團隊提出了無溶劑，協同效應裝配策略可擴展制造超彈性，成功設計藻酸鹽與柔性SiO₂納米纖維組合細胞結構的NFHs。海藻酸鈉被大量重建成三維彈性體納米纖維水凝膠中，使得其具有可調節含水量、變形性能優異、80％應變下零泊松比恢復、獨特形狀記憶行為和彈性響應電導率等多功能性。NFHs可以檢測動態壓力范圍廣，靈敏度高0.24 kPa^-1，穩定耐久100次。該水凝膠有望廣泛用于未來靈活的壓力傳感器，組織工程，電動/壓力刺激，藥物遞送的支架車輛，醫療診斷裝置，生物制劑和人造皮膚。

【通訊作者簡介】：

丁彬教授，工學博士、長江特聘教授、博士生導師、美國材料學會會員、美國化學會會員、美國纖維學會會員、中國化學學會會員、中國微納米技術學會高級會員，東華大學僑聯副主席、紡織學院副院長。主要研究方向為環保型納米材料的研制、應用及產業化。1部主編中文書籍《靜電紡絲與納米纖維》、12部合著的英文書籍、160篇已出版的國際學術論文、121次國際學術會議發表、10項申請中的國外專利和65項申請中的國內發明專利。大部分學術論文被其他學者多次引用（總計被引用5202次，其中他引4107次）。擔任4個國際學術雜志的編輯、4個國際學術雜志的編委，并為92個國際雜志做特約審稿人，審稿約300篇。

文獻鏈接：Ultrahigh-Water-Content, Superelastic, and Shape-Memory Nanofiber-Assembled Hydrogels Exhibiting Pressure-Responsive Conductivity.（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201700339）

本文由材料人編輯部汪李超編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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