具有高導電性和機械堅固性的水凝膠在從醫(yī)療保健到軟機器人的各種應用中均顯示出巨大的潛力。然而，這種材料的創(chuàng)造仍然是巨大的挑戰(zhàn)。最近，東華大學張世超研究員/丁彬教授團隊提出了一種原位合成策略，用于開發(fā)具有強大機械和電子性能的生物啟發(fā)化學合成二氧化硅-納米纖維增強水凝膠(SFRH)。該策略是在分散良好的二氧化硅納米纖維和乙烯基硅烷的存在下，由丙烯酰胺單體合成軟水凝膠基質(zhì)，從而產(chǎn)生具有創(chuàng)新界面化學鍵的均質(zhì)SFRH。

所得SFRHs表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，包括在1400%斷裂應變下的0.3 MPa的高機械強度，0.11 MPa的高楊氏模量(與人體皮膚相當)以及1000次拉伸循環(huán)的超彈性而無塑性變形，同時保持了高透光率( ≥83%)。同時，SFRHs表現(xiàn)出增強的離子電導率(3.93 S m-1)，并可以高靈敏度(2.67的規(guī)格系數(shù))和超耐用性(10000次循環(huán))監(jiān)測多種刺激(拉伸，壓縮和彎曲)。這項工作可能會為各種用途的韌性和可拉伸水凝膠的設計和開發(fā)提供啟發(fā)。

【主圖導讀】

圖1a)示意圖，顯示了SFRH的制備。b)表現(xiàn)出SFRH(3毫米厚)透明性的光學圖像。c)描繪SFRH網(wǎng)絡以及二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的界面物理和化學鍵。d)SFRH的XPS調(diào)查頻譜。e)SFRH用于Si 2p的高分辨率XPS光譜。f，g)SFRH在不同放大倍率下的微觀結(jié)構(gòu)。h)SFRH中單個納米纖維的FESEM-EDS元素圖顯示了相同區(qū)域中Si，O，C和N的分布。

圖2 a)具有不同L/d比的p-SFRH的σ-ε曲線。b)p-SFRH和c-SFRH的σ–ε曲線，其中在兩種不同的水凝膠中，納米纖維的L/d比固定為約400。c)圖片展示了c-SFRH的拉伸過程。d)SFRH和其他開拓性水凝膠的拉伸彈性模量隨水分含量的變化而變化。e)示意圖，顯示了c-SFRH的拉伸過程。f)p-SFRH5，p-SFRH10和c-SFRH10的相互作用能。g，h)從水凝膠基質(zhì)中提取出L/d比率為5和10的兩種不同的二氧化硅納米纖維的模擬快照。i)從水凝膠基質(zhì)中拉出具有界面化學鍵合的二氧化硅納米纖維(L/d比為10)的模擬快照。在這三個模型中，水分子的顏色為紅色，PAM鏈的顏色為藍色，二氧化硅納米纖維的顏色為綠色。j)從水凝膠基質(zhì)中抽出二氧化硅納米纖維的相互作用能與時間的關(guān)系。

圖3a)p-SFRHs和b)c-SFRHs隨拉伸ε的增加，其循環(huán)拉伸σ-ε曲線。c)循環(huán)拉伸試驗中磁滯面積的變化。d)ε為100%的多周期拉伸試驗。e)楊氏模量，最大應力和能量損耗系數(shù)與拉伸循環(huán)的關(guān)系。f)20°C下SFRH的儲能模量，損耗模量和阻尼比與角頻率的關(guān)系。g)SFRH的循環(huán)壓縮σ–ε曲線。h)具有不同二氧化硅納米纖維含量的SFRH的EIS奈奎斯特圖。i)SFRH和其他先前報道的離子導電水凝膠的拉伸應力，應變，韌性，模量和電導率的比較。

圖4a)基于SFRHs的傳感器的相對電阻變化與應變的關(guān)系。b)基于SFRHs的傳感器在100%拉伸應變下進行1000次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性測試。c)壓力變化時傳感器的相對電阻變化和壓力靈敏度。d)在6.37 kPa壓力下傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性測試10000次?；赟FRHs的傳感器的相對電阻變化響應于e)各種角度的手指彎曲，f)肘部的反復彎曲/伸直運動和g)人脈。h)簽名感測的示意圖。相對抵抗力由不同的志愿者寫成i)字母“ C”和j，k)“We”。

【總結(jié)】

該團隊通過原位合成策略制備了具有生物力學特性的化學合成納米纖維增強水凝膠，該水凝膠具有強大的機械和電子性能。在良好分散的二氧化硅納米纖維和乙烯基硅烷的存在下，由AM單體合成軟水凝膠基質(zhì)，從而獲得具有創(chuàng)新界面化學鍵的均質(zhì)SFRH。得益于柔性電紡二氧化硅納米纖維和牢固的界面結(jié)合，所得的透明SFRH在1400%應變下表現(xiàn)出0.3 MPa的高機械強度，與人體皮膚相似的0.11 MPa的楊氏模量，2.98 MJ m-3的高韌性和超彈性。此外，由于相互連接的二氧化硅納米纖維帶有帶負電荷的表面羥基，SFRHs顯示出高的離子電導率(3.93 S m-1)，并且可以檢測到廣泛的應變(0.5–1100%)和壓力(1–28 kPa)。具有強大的靈敏度(GF為2.67)和超耐用性(10000次循環(huán))，這使其成為用于檢測各種身體運動，人體脈搏和筆跡的有希望的軟傳感器。團隊對具有生物啟發(fā)性的復合材料設計和機械堅固的SFRH的輕松合成，為開發(fā)離子導電水凝膠提供了強大的平臺，例如健康監(jiān)測，可穿戴電子產(chǎn)品，醫(yī)療診斷設備，組織工程，防偽和生物致動器。