北京林业大学杨俊副教授课题组在自愈合纳米纤维素复合水凝胶方面取得系列进展

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高强度水凝胶是一类具有三维交联网络的软湿性材料，在柔性电子器件、生物组织替代、组织工程支架等领域有巨大的应用潜力。赋予水凝胶材料自愈合（自修复）能力可以自动修复损伤，恢复其结构和功能，从而提高凝胶材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延长其使用寿命。高强度水凝胶的聚合网络需要强度较高且稳定的交联，而实现水凝胶自愈合需要动态可逆的交联，但是高强度和自愈合从本质上来讲是相互矛盾的，因此如何制备同时具有高机械强度和优异自愈性能的水凝胶材料是水凝胶研究中的一项重要挑战。

图1 水凝胶的制备方法、形貌和形成机理

北京林业大学材料科学与技术学院杨俊副教授课题组报道了一种基于纳米纤维素增强，并同时具有优异粘附性和自愈合特征的复合水凝胶材料。通过在纳米纤维素表面均匀涂布单宁酸并进行自由基原位聚合，形成具有动态交联结构特征的高强度凝胶材料。该凝胶材料可直接黏附到人体的皮肤上，用来检测手指弯曲等大形变以及脉搏跳动等微弱的生理信号。成功将组装的凝胶传感器应用于投篮训练的姿势矫正，通过人体运动实时监测系统在智能手机客户端对用户健康状况进行分析和诊断。本工作为设计纤维素基的多功能水凝胶提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性电子和医疗保健监测的实际应用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”为题在线发表在《Chemistry of Materials》(工程技术一区TOP期刊， IF: 9.89 )期刊上。

图2 水凝胶作为应变传感器的应用探索

最近，该课题组又根据生物体组织力学特性，将单宁酸包覆的纳米纤维素均匀分散到聚乙烯醇和硼酸体系中，成功地制备出一种具有应变硬化特性的动态粘附性凝胶材料，这种具有仿生动态力学特征的凝胶材料与人体软骨组织具有相似性，为后续探索其在生物医学材料领域的应用提供了新的途径。该研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”为题在线发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(工程技术一区TOP期刊， IF: 8.097)期刊上。

图3 具有动态粘附特征的凝胶材料力学行为

上述研究论文第一作者是2018级博士研究生邵长优，杨俊副教授为该系列工作的独立通讯作者，相关工作得到国家自然科学基金面上项目（21674013, 21404011）和中央高校基本业务费专项资金部分资助（2017ZY35）。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b01172

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b21588

来源：北京林业大学材料学院

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