绿色新闻网
  您现在的位置>> 新闻首页>> 教学科研

材料学院研究团队在天然高分子水凝胶材料领域取得系列进展

发表时间:(2019-12-11)

  壳聚糖、纤维素、海藻酸钠、蚕丝蛋白等天然高分子水凝胶因其独特的生物相容性和可降解性而受到广泛关注,在可穿戴电子器件、软体机器人和人工智能等领域展现出巨大的应用潜力。然而传统的天然高分子水凝胶受制于力学强度差、功能单一等问题,极大地限制了其在实际应用中的发展。

 

  针对上述问题,材料学院杨俊研究团队采用盐溶液浸渍法,制备了具有优异自粘附能力和应变传感能力的高强度壳聚糖/聚丙烯酸双网络纳米复合凝胶( ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42, 39228-39237)。他们首先制备了单宁酸涂布的纳米纤维素微晶,并以此为纳米增强相提高水凝胶的拉伸性能。然后采用饱和氯化钠溶液浸泡的方法交联壳聚糖分子链,实现改善凝胶力学强度的目的。最终该水凝胶拉伸强度和断裂应变分别达到1.2 MPa和800 %。得益于单宁酸的邻苯酚基团,该水凝胶展现出良好的自粘附能力。可在人体皮肤和各类基底之间实现稳定粘附。同时由于大量电解质的存在,该水凝胶具有良好的导电性和应变灵敏性,可以感应低至0.5 %的微小应变。研究人员将其贴附到人的喉结和关节上,可以成功地分辨吞咽、关节弯曲等人体动作。

 

 

  该研究团队在具有仿生力学特征和自愈功能的水凝胶材料领域做出了积极探索,报道的一种具有应变硬化特性和动态组织粘附的凝胶材料,为后续表皮电子器件的应用提供了新的启发( ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 5885-5895)。最近,该课题组又通过模拟人体皮肤自修复和感知外界刺激的特性,设计了一种具有高弹性、自愈合和高导电的水凝胶,来提升电子皮肤的响应表现,同时延长其使用寿命 ( J. Mater. Chem. C DOI: 10.1039/c9tc05467g)。电子皮肤传感器贴附在人体皮肤或器官上用来监测各种生物信号,然而人体皮肤和器官是动态的曲面,因此保持传感器与皮肤良好的保形接触对于获得精确的生物信号至关重要。该工作巧妙地提出通过自粘附性能来增强界面稳定性的策略,使凝胶与动态的皮肤曲面在运动形变时始终维持保角贴附,从而降低环境噪波,实时准确地获取稳定生理信号,为提升柔性可穿戴电子的灵敏度和用户体验开辟了新的路径。

 

 

 

 

  此外,该团队在蚕丝蛋白凝胶方向也取得了最新进展,提出了一种无表面活性剂的疏水缔合(HA)水凝胶的设计策略( ACS Applied Materials & Interfaces , DOI:10.1021/acsami.9b19415),将疏水性单体甲基丙烯酸十八烷基酯(C18M)溶解于两亲性丝素蛋白(RSF)溶液中形成疏水缔合作用,并将其作为牺牲键引入到海藻酸钠离子网络中,得到了兼具高压缩强度、自愈合性、可注射性和生物相容性的多功能丝蛋白水凝胶。弹性压缩和流变学分析表明,在小应变作用下,疏水缔合率先被破坏,发生能量耗散,随着应变逐渐增大,疏水缔合作用减弱,海藻酸盐与Ca2+之间的离子键发生不可逆地断裂,以维持凝胶结构的完整性。此外,在模拟体液中矿化28天后发现磷化钙纳米颗粒均匀分布于矿化后的凝胶表面。值得注意的是即使体外培养14天后,小鼠成骨细胞(MC3T3-E1)在HA凝胶中的存活率仍能达到48.62%。

 

  上述系列研究成果均于2019年分别发表在 ACS Appl Mater.Interfaces 和 J. Mater. Chem. C 等著名国际期刊上,第一作者分别为材料学院2018级硕士研究生崔晨、2018级博士生邵长优和2019级博士生孟蕾,通讯作者为杨俊副教授。

 

  系列文章链接:

  1.   https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b15817
  2.   https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b21588
  3.   https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c9tc05467g/unauth#!divAbstract
  4.   https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b19415
来源:材料学院          作者:材料学院          浏览次数: