聊聊仿生多尺度功能水凝胶的设计与制备2021/6/6 6:49:12

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水凝胶是以水为分散介质的具有三维高分子络的亲水性材料。水凝胶能够在多种外界刺激下改变形状和体积因此在软体机器人、柔性电子器件和传感器等领域具有广泛的应用景也引起了科研人员的关注。在生物软组织中多尺度结构(如表面微纳米结构有序三维状结构)的存在对于生物材料的自清洁耐冻环境适应性和优异的机械性能等功能至关重要。受生物水凝胶结构与功能特性的启发研究人员开发了一系列对各种机械和环境条件具有高度适应性的仿生多尺度水凝胶。



  图1 仿生多尺度功能水凝胶的设计与制备：从二维界面到三维络

  北京航空航天大学刘明杰教授在《高分子学报》20219期上发表的特约综述中从水凝胶的二维界面性质调控和三维络设计两个方面系统地总结了来仿生多尺度水凝胶材料的设计与制备思路。二维界面设计包括表面化学物理修饰、表面微纳米结构构筑能够调节水凝胶的表面浸润性和黏附性拓展水凝胶在生物医学、海洋防污等领域的应用;三维络设计如引入非共价交联作用、设计有序络结构、复合异质络等能够赋予水凝胶自修复性能、各向异性、高强度、形状记忆性能及抗冻性等优异的特性拓展了水凝胶在可穿戴设备软体机器人等领域以及复杂环境中的应用。

  二维界面设计构筑仿生水凝胶

  通过设计水凝胶的表面形貌或组成可以赋予水凝胶与天然凝胶材料相似的功能特性。该综述对两种典型的水凝胶表面设计方法进行了总结包括表面化学物理修饰和表面微纳米结构的构筑并分析了表面工程在拓宽水凝胶实际应用中的重要作用。



  图2 典型的水凝胶表面设计方法: () 表面化学修饰;() 表面物理修饰; () 表面微纳结构的构筑

  三维络设计构筑仿生水凝胶

  仿生多尺度水凝胶内部三维络的设计可以通过施加外力场取向引入多种交联方式以及复合异质络等方法实现。该综述将对这几种典型的方法进行了总结回顾了来仿生多尺度水凝胶的三维络设计策略讨论了三维络设计对拓展水凝胶应用的重要作用。



  图3 典型的水凝胶三维络设计方法: () 引入非共价交联络; () 构筑有序结构络; () 设计异质互穿络; () 设计油水微相分离络

  此外该文对仿生水凝胶络的设计、异质络的分散以及无损表征等方面未来的发展以及该领域所存在的挑战做出了展望。

  论文链接：:GFZXB20210108