具有平衡机械性能的高强度、层次结构导向的水凝胶

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：High-strength hierarchically oriented hydrogels with balanced mechanical performance

　　

摘要

高强度和高韧性的水凝胶在软体机器人、人工皮肤和组织工程领域展现了令人兴奋的应用前景，但开发这种高性能软材料仍然是一项具有挑战性的任务。本研究受到木材多尺度定向层次化组装结构的启发，通过将毫米级的纸浆纤维、纳米级的细菌纤维素和分子级的木质素磺酸钠引入预拉伸的聚乙烯醇水凝胶中，创新性地再现了木材的多层次定向组成单元。这些组分的功能基团之间形成的强界面静电相互作用和氢键有效地稳定了这种层次化的各向异性结构，并将其牢固地结合在一起。由此制备出的层次化定向水凝胶表现出优异的机械性能，包括超过15.5 MPa的断裂强度、约130%的极限应变以及约14 MJ/m3的韧性，同时还增强了抗撕裂能力。值得注意的是，即使在非定向方向上，该水凝胶仍保持良好的强度和韧性，从而提高了其对复杂应力条件的抵抗力。此外，这种复合水凝胶具有极低的生物毒性、良好的血液相容性以及高度线性的应变传感特性。本研究提出了一种受自然结构启发的层次化策略，为制造具有出色机械性能的先进水凝胶材料开辟了一条有前景的途径。

图形摘要

此图片的替代文本可能是由AI生成的。

高强度和高韧性的水凝胶在软体机器人、人工皮肤和组织工程领域展现了令人兴奋的应用前景，但开发这种高性能软材料仍然是一项具有挑战性的任务。本研究受到木材多尺度定向层次化组装结构的启发，通过将毫米级的纸浆纤维、纳米级的细菌纤维素和分子级的木质素磺酸钠引入预拉伸的聚乙烯醇水凝胶中，创新性地再现了木材的多层次定向组成单元。这些组分的功能基团之间形成的强界面静电相互作用和氢键有效地稳定了这种层次化的各向异性结构，并将其牢固地结合在一起。由此制备出的层次化定向水凝胶表现出优异的机械性能，包括超过15.5 MPa的断裂强度、约130%的极限应变以及约14 MJ/m3的韧性，同时还增强了抗撕裂能力。值得注意的是，即使在非定向方向上，该水凝胶仍保持良好的强度和韧性，从而提高了其对复杂应力条件的抵抗力。此外，这种复合水凝胶具有极低的生物毒性、良好的血液相容性以及高度线性的应变传感特性。本研究提出了一种受自然结构启发的层次化策略，为制造具有出色机械性能的先进水凝胶材料开辟了一条有前景的途径。

图形摘要

此图片的替代文本可能是由AI生成的。