香港城市大学王钻开教授团队《Mater. Horiz.》：基于单宁酸介导动态相互作用构建超拉伸性、高黏附性和自修复水凝胶

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水凝胶作为一种具有重要意义的软材料，拥有优秀的生物相容性、力学柔韧性以及独特的粘附性，在生物医疗设备、软机器人、人造电子皮肤和物联网等领域极具吸引力。目前，主要有两种设计策略来提升水凝胶的性能。一是利用共价和非共价相互作用对整个凝胶网络进行编程，从而使得水凝胶的本体性能（例如机械、电学、光学性质）得以提升；二是调节水凝胶与周围环境的界面相互作用，赋予水凝胶表面以额外的功能，例如自黏附性。然而，由于缺少合适的相互作用，水凝胶较难同时实现增强的本体和界面性质。贻贝启发的儿茶酚衍生物能调控水凝胶网络中的多种分子水平的相互作用，拥有“点石成金”般的强大力量，因此广受研究人员们的青睐。即使拥有如此利器，设计一种同时具备高拉伸性（> 3000%）和强粘附性（在皮肤表面的粘附强度> 30 kPa）的水凝胶仍面临居多挑战。首先，贻贝启发的水凝胶的形成大都无法摆脱对共价交联剂的依赖，这不仅导致本体聚合物网络变得死板，难以在遭遇形变时实现有效的能量耗散，并且也限制了水凝胶与周围界面的相互作用。其次，水凝胶在本体和界面内的动态相互作用位点往往不足，制约了水凝胶拉伸性和粘附性的同步提升。

针对这些难题，香港城市大学王钻开教授团队报道了一种完全基于单宁酸介导的相互作用（TEDI）而实现超强拉伸性、高粘附性和自修复性的离子水凝胶（如图1）。其中单宁酸介导的动态相互作用发挥了两个重要作用：一方面提供足够的非共价交联，完全取代了常规共价交联在凝胶化中的作用，另一方面充当调控平台，实现对水凝胶的本体/界面性质的精确控制。相较于传统的贻贝水凝胶，TEDI水凝胶展现出优越的拉伸性（可被拉伸至原始长度的73倍），卓越的自愈能力和强大的粘附性（在猪皮表面的粘附强度可达50 kPa）。这些优异的性能使TEDI水凝胶能够作为自粘、柔性的类皮肤传感器，准确检测人体运动。此外，TEDI策略为设计下一代离子水凝胶提供了新的机会，对可穿戴电子设备和医疗保健监测的应用很有价值。

图1. TEDI水凝胶的设计。(a) TEDI水凝胶的制备过程和化学结构。(b) 利用SEM证明成功凝胶化。(c) TEDI水凝胶的强粘附力来源于TA分子与基底间的界面相互作用。

图2. TEDI水凝胶的机械性能。(a) TEDI水凝胶和化学交联的P(AAc-co-AAPBA)水凝胶的应力-应变曲线。(b) TEDI水凝胶被拉伸至7000%应变时的实物图。(c) TEDI水凝胶中动态交联的可逆解离和重组过程示意图。(d-f) TA、AAPBA和CaCl₂对TEDI水凝胶机械性能的影响。

图3. TEDI水凝胶的自愈合性能。(a) 两片独立的TEDI水凝胶在接触后愈合成一个水凝胶整体。(b) 愈合后的TEDI水凝胶能承受一定程度的拉力和机械形变。(c) 不同愈合时间的TEDI水凝胶的典型应力-应变曲线。(d) TEDI水凝胶相应于不同时间的愈合效率

图4. TEDI水凝胶的粘附性。(a) TEDI水凝胶在平行和垂直于粘合表面的方向上都具有较强粘合强度。(b) TEDI水凝胶对不同基底的粘附能力。(c) 即使在1000%应力拉伸下，TEDI水凝胶没有额外胶带的帮助也能粘附在丁腈手套上并保持不脱离。(d) 含有不同单宁酸浓度的TEDI水凝胶对铝基底的粘附强度。(e) TEDI水凝胶与不同基底间的粘合强度。(f) 在断裂应变和猪皮表面粘附强度方面，我们的工作与先前报道的贻贝水凝胶之间的比较。

图5. 超拉伸、自修复和粘附性TEDI水凝胶作为应变传感器的潜在应用。(a) TEDI水凝胶传感器电导率的恢复。（输入电压 = 4.5 V）。(b) TEDI水凝胶传感器在三个连续切割-愈合过程中的电阻变化。(c) 传感器在高达3000%的大应变下随时间变化的相对电阻变化。(d) TEDI水凝胶传感器在100%应变下50次循环的相对电阻变化的稳定性。

图6.基于TEDI水凝胶的可穿戴应变传感器的人体运动检测。(a) 被触摸和不被触摸状态下的 TEDI 水凝胶传感器的相对电阻变化。(b) TEDI水凝胶传感器随时间检测的食指在不同弯曲角度下导致的相对电阻变化。(c-d) TEDI水凝胶传感器随时间检测的手腕与膝关节在弯曲和释放时导致的相对电阻变化。

以上研究成果近期以“Design of ultra-stretchable, highly adhesive and self-healable hydrogels by tannic acid-enabled dynamic interactions”为题，发表于Materials Horizons。该论文的第一作者是香港城市大学博士研究生莫佳颖，香港城市大学王钻开教授和博士后研究员张超博士为该论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/MH/D1MH01324F

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