陕西科技大学李金宝/戴磊《IJBM》：坚固且具有粘性的木质素混合水凝胶作为超灵敏传感器

【科研摘要】

导电水凝胶作为一种很有前途的传感材料，已被证明可用于检测人体运动和生理信号，因此在健康监测和假肢等领域具有很大的潜力。人们在开发具有良好性能的导电水凝胶方面付出了巨大的努力，但导电水凝胶的机械性能及其对其他材料（如组织）的粘附性仍然是挑战。另一方面，用于水凝胶制造的材料也是一个重要课题。特别是利用低成本的生物质衍生产品设计水凝胶，不仅影响资源利用，也有助于我们社会的可持续发展。

木质素是植物细胞壁的主要成分之一，是纸浆和造纸工业的副产品。木质素最近已被证明是制备水凝胶的良好选择。然而，木质素基水凝胶受其低粘附性的限制，无法满足基于水凝胶的传感材料的要求，特别是对于那些监测人体运动和生理信号的产品。受贻贝启发的聚多巴胺 (PDA) 化学已在粘合剂水凝胶的制备中得到很好的证明。这为设计含木质素的粘性水凝胶铺平了道路，前人的研究证明，将木质素氧化为醌/对苯二酚即可获得儿茶酚结构。受前人研究的启发，可以在木质素的帮助下原位生成银纳米粒子（AgNPs），所得的AgNPs@lignin复合材料可以提供粘附性、导电性和抗菌性能。此外，可以使用这种 AgNPs@lignin 复合材料设计用于传感目的的水凝胶。

陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院Jinbao Li和Lei Dai为共同通讯作者在《InternationalJournal of Biological Macromolecules》上发表<Robust and adhesive lignin hybridhydrogel as an ultrasensitive sensor>。Huijuan Xiu为第一作者。

其报告了一种坚固且具有粘性的水凝胶，主要由 AgNPs@lignin、聚丙烯酰胺 (PAM) 和海藻酸钠 (SA) 构成。银纳米颗粒 (AgNPs) 通过木质素和氨银 ([Ag(NH₃)₂]⁺) 之间的反应原位生成。所得木质素杂化水凝胶的应力、应变和撕裂能分别高达0.055 MPa、1000%和250 J·m^-2。此外，水凝胶以高于230 J·m^-2的粘附能粘附在不同材料上。这种水凝胶被证明是一种理想的传感材料，因为它可以检测大规模运动和包括呼吸和脉搏在内的微小生理信号。该水凝胶还表现出良好的抗菌性能和生物相容性。这项工作为设计用于传感目的的基于木质素的高性能水凝胶材料提供了一个很好的例子。

【主图导读】

图 1. 木质素基混合水凝胶的设计示意图（AgNPs = 银纳米颗粒；APS = 过硫酸铵；AM = 丙烯酰胺；SA = 海藻酸钠）。

图 2 木质素杂化水凝胶的表征。(a) 木质素和 AgNPs@lignin 的 FTIR；(b) 和 (c) AgNPs@lignin 的 XPS；(d) 木质素和 AgNPs@lignin 的 XRD；(e) SA、PAM和AgNPs@lignin/SA/PAM的FTIR光谱；(f) AgNPs@lignin/SA/PAM 和 Fe³⁺@AgNPs@lignin/SA/PAM 的 FTIR 光谱。

图 3 木质素杂化水凝胶的机械性能。(a) 含有不同量AgNPs@lignin的木质素杂化水凝胶的应力-应变曲线；(b) 木质素杂化水凝胶在循环拉伸过程中的拉伸性能；(c) 木质素混合水凝胶提升 500 克重量；(d) 含不同量AgNPs@lignin的木质素杂化水凝胶的抗压性能；(e) 木质素杂化水凝胶在循环压缩过程中的压缩性能；(f) 木质素杂化水凝胶在 500 克重量负载下保持完整。

图 4 木质素杂化水凝胶的稳健性。(a) 水凝胶被扭曲和拉伸；(b) 水凝胶被打结和拉伸；(c) 切割后幸存的水凝胶；(d) 不同浓度Fe³⁺溶液处理不同时间水凝胶的撕裂能。

图 5 木质素杂化水凝胶的粘附性。附着在玻璃上的水凝胶（a）；陶瓷（b）；石头（c）；铝（d）；钢（e）；木材（f）；塑料（g）；橡胶（h）；和人体皮肤 (i)；从人体皮肤上分离的水凝胶 (j)；(k) 不同浓度Fe³⁺溶液处理不同时间水凝胶的粘附能。

图 5 木质素杂化水凝胶的粘附性。附着在玻璃上的水凝胶（a）；陶瓷（b）；石头（c）；铝（d）；钢（e）；木材（f）；塑料（g）；橡胶（h）；和人体皮肤 (i)；从人体皮肤上分离的水凝胶 (j)；(k) 不同浓度Fe³⁺溶液处理不同时间水凝胶的粘附能。

图 7 木质素杂化水凝胶的抗菌性能（比例尺：mm）。

【结论】

综上所述，这项工作成功地制备了一种坚固且具有粘性的木质素基混合水凝胶。水凝胶网络主要由 PAM 和 SA 构建。AgNPs@Lignin 和 Fe³⁺ 的加入大大提高了水凝胶的强度。这种木质素杂化水凝胶的拉伸强度和应变分别为 0.055 MPa 和 1000%，而其抗压强度达到 22.5 MPa，撕裂能约为250J·m^-2。此外，它对不同的材料表现出良好的粘合性。这种木质素混合水凝胶可以检测不同的人体运动和微小的生理信号（如呼吸和脉搏）。考虑到其良好的传感性能、抗菌性能和生物相容性，这种水凝胶可能是一种很好的传感材料，特别是用于柔性可穿戴电子设备的设计。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.05.168

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