近年來，柔性電子在可穿戴器件、能量存儲、電子皮膚等領域得到了廣泛的發展，水凝膠材料憑借其優異生物相容性及良好機械柔韌性，展示了無限潛能。然而，由于溶劑分子侵蝕作用，大部分水凝膠材料在水或油等液體環境下無法實現穩定應用。
圖1 抗溶劑非溶脹水凝膠結構示意圖
針對這一問題，長春工業大學高光輝教授團隊提出了構建親疏水協同的分子網絡抵抗溶劑侵蝕作用的策略，實現了水凝膠材料在水溶液和有機溶劑環境下的穩定性能。研究人員將親水的丙烯酸和疏水的丙烯酸甲氧乙基脂在水和二甲基亞砜的混合溶液下聚合成膠，利用石墨烯作為導電媒介，成功地制備了抗溶劑非溶脹水凝膠。所制備的水凝膠實現了在水或油等多種溶劑下對各種運動的應變感知。當水凝膠在水溶液環境下，水分子會滲透進入凝膠內部置換體系的二甲基亞砜分子，誘導了體系內疏水分子的聚集，有效提高分子間內聚力并在凝膠表面形成緊密的疏水“保護層”。另一方面，水分子及親水性組分也可以有效地抵抗有機溶劑分子的侵蝕作用。因此，該水凝凝膠展示出了優異的抗溶劑性能，擴寬了水凝膠在柔性電子領域的應用場景。本論文“Solvent-Resistant and Nonswellable Hydrogel Conductor toward Mechanical Perception in Diverse Liquid Media”發表在《ACS Nano》期刊上，第一作者為長春工業大學博士研究生劉鑫同學，唯一通訊作者為高光輝教授。
圖2 水凝膠在不同溶劑環境下的應力感知
近五年來，該研究團隊一直致力于粘韌水凝膠材料的設計及其在醫用敷料、柔性傳感與能量存儲等應用的研究，在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Chemical Engineer Journal》、《Journal of Materials Chemistry A》等期刊共計發表近80篇SCI研究論文。2017年首次提出核酸堿基增粘水凝膠新策略，實現了5種堿基增粘水凝膠材料及對各種固體基質和生物組織的高強度粘結，包括：金屬、塑料、橡膠、硅膠、陶瓷、木頭、以及小鼠的心、肝、脾、肺、腎等生物組織（Adv. Funct. Mater. 2017, 1703132）。在此基礎之上，研究人員通過合理地設計聚合物的分子體系，成功地賦予了堿基增粘水凝膠材料優異的高強度粘性、抗疲勞粘性、水下粘性、以及各種溶劑環境下的對各種材料的抗溶劑粘性（Adv. Funct. Mater. 2019, 1900450; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 17645; Polym. Chem., 2018, 9, 4535; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6644）。為了進一步拓展研究體系，該研究團隊將核苷酸、氨基酸、蛋白質、多糖等系列分子引入到水凝膠材料中，成功地賦予其優異的粘韌性能（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 9373; Chem. Eng. J. 2020, 398, 125555; Chem. Eng. J. 2019, 375, 121915; Chem. Mater. 2019, 31, 5881; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 25613）。
圖3 水下粘性展示及抗溶劑粘性性能
同時，該研究團隊嘗試將一系列水凝膠材料作為應變傳感器件應用到人體可穿戴和應變感知等領域，成功實現了其對人體活動快速精準監測，包括細微的發聲、呼吸和大尺度的關節彎曲以及走路、跳躍等運動的感知（Chem. Eng. J. 2020, 394, 124898; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 4515; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 25441; Chem. Mater. 2019, 31, 9522; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 28336）。
圖4 多體系粘韌水凝膠的應變傳感
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05932
課題組網站：www.ghgao.polymer.cn
