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近日，香港大學(xué)徐立之教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新的基于納米網(wǎng)絡(luò)模板法來(lái)構(gòu)建高強(qiáng)度和高電導(dǎo)率水凝膠。以芳綸納米纖維和聚乙烯醇自組裝形成的復(fù)合納米纖維網(wǎng)絡(luò)為模板，在纖維網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行聚合反應(yīng)形成的聚吡咯復(fù)合在網(wǎng)絡(luò)的纖維上，形成新的導(dǎo)電高分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)。該納米纖維網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電閾值低至1 wt%的聚吡咯。

隨著聚吡咯含量提高，納米纖維網(wǎng)絡(luò)水凝膠的電導(dǎo)率可高達(dá)~80 S/cm，并具有~9.4 MPa的強(qiáng)度和~36%的伸長(zhǎng)率。該導(dǎo)電水凝膠優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能很難在其他材料體系中實(shí)現(xiàn)。此外作者通過(guò)簡(jiǎn)單的加工技術(shù)，制備了各種圖案化結(jié)構(gòu)，證明該材料在可穿戴電子器件方面的應(yīng)用。

心肌細(xì)胞在該導(dǎo)電水凝膠上的培養(yǎng)，表現(xiàn)出快速成熟并進(jìn)行自發(fā)地有節(jié)律地收縮，說(shuō)明了材料良好的生物相容性以及在組織工程方面潛在的應(yīng)用。該工作以“Hybrid assembly of polymeric nanofiber network for robust and electronically conductive hydrogels” 為題發(fā)表在《Nature Communications》（Nat. Commun. 14, 759 （2023））。文章的通訊作者是香港大學(xué)機(jī)械工程系徐立之教授。

圖1，導(dǎo)電水凝膠的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

制備過(guò)程如下：芳綸納米纖維和聚乙烯醇分散在DMSO中，經(jīng)過(guò)浸泡在水中進(jìn)行溶劑交換，高分子之間由于強(qiáng)氫鍵相互作用收縮形成了具有納米纖維的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。吡咯單體通過(guò)三價(jià)鐵離子的氧化，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行聚合反應(yīng)。形成的聚吡咯完美地結(jié)合在纖維網(wǎng)絡(luò)上，形成具有相似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)。該導(dǎo)電納米纖維網(wǎng)絡(luò)的水凝膠材料具有良好的電導(dǎo)率以及延展性。簡(jiǎn)單創(chuàng)新的合成體系可以實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率和高強(qiáng)度水凝膠的制備。

圖2，獨(dú)特的電學(xué)特性

電學(xué)測(cè)試表明該水凝膠的導(dǎo)電閾值低至~1%，明顯低于其他電活性物質(zhì)摻雜的導(dǎo)電水凝膠體系。在相同的合成條件下，采用芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)為模板原位聚合形成的導(dǎo)電水凝膠其電導(dǎo)率高出沒(méi)有纖維網(wǎng)絡(luò)所形成的導(dǎo)電水凝膠3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。另外其他導(dǎo)電高分子在芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)中的聚合也具有類似的現(xiàn)象。利用納米模板法制備的導(dǎo)電水凝膠的體系遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的制備體系，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電水凝膠電導(dǎo)率幾個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。

圖3，導(dǎo)電水凝膠拉伸中的行為

由于納米纖維網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)作用，導(dǎo)電水凝膠通過(guò)組分的調(diào)控，其強(qiáng)度區(qū)間在2-9.4 MPa，伸長(zhǎng)率區(qū)間在20-55%。同時(shí)，該導(dǎo)電水凝膠獨(dú)特的導(dǎo)電通路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在形變過(guò)程中電阻變化很小，這是由于形成導(dǎo)電通路的納米纖維網(wǎng)絡(luò)在拉伸過(guò)程中發(fā)生了取向性地形變而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍然保持完好。該導(dǎo)電水凝膠的抗拉伸能力以及保持電阻穩(wěn)定的能力在柔性電子中具有重要的應(yīng)用。

圖4，材料在可穿戴電子器件方面的應(yīng)用

圖5，材料在組織工程方面的應(yīng)用

基于該水凝膠優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，該導(dǎo)電水凝膠可以應(yīng)用在對(duì)生理電信號(hào)的檢測(cè)，成為可穿戴電子器件的電極和導(dǎo)線材料。同時(shí)由于其良好的生物相容性，使其可以應(yīng)用在神經(jīng)和心臟的可植入系統(tǒng)。未來(lái)可以對(duì)該材料微尺度化，構(gòu)建材料和細(xì)胞的多功能界面，實(shí)現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)方面更廣泛的應(yīng)用。