马里兰大学胡良兵Adv. Mater.：受肌肉启发的高度各向异性、高强且离子导电的水凝胶

【引言】

近年来，基于3D结构、良好的柔性和生物相容性以及高含水量等特点，水凝胶材料已经在诸如药物递送、软执行器、电化学器件和人工肌肉等生物医学和生物工程领域发挥重要作用。然而，大多数的纤维素基水凝胶材料微观结构有序度和宏观机械性能都比较差，极大限制了其应用价值。定向冷冻、静电排斥、拉伸或压缩诱导重新定向以及自组装等多种方法被证实能够一定程度上提高水凝胶的机械性能，但是水凝胶材料的拉伸强度仍然没有达到10 MPa（生物组织强度）。从仿生角度来说，在水凝胶网络结构中引入类似肌肉组织中的高度有序纳米结构为获得高度各向异性、高强水凝胶提供了机会。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学胡良兵教授课题组结合天然木材的高拉伸强度和水凝胶的柔性、高含水量等特点，实现了高度各向异性、高强且离子导电的木材水凝胶的制备。研究表明，有序纤维素纳米纤维与聚合物分子链之间存在较强的氢键作用和交联结构，使得木材水凝胶的拉伸强度高达36 MPa，是目前报道的强度最高的水凝胶材料之一。此外，由于有序纤维素纳米纤维带有负电荷，该种木材水凝胶还可以作为纳米流体导管实现类似生物肌肉组织的离子选择性传输功能。该成果以题为"Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels"发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1木材水凝胶的结构和微观网络示意图

(a) 常见的柔性横纹肌肉组织示意图；

(b) 7 cm长的木材水凝胶样品扭曲180度的照片；

(c) 木材水凝胶内部PAM分子链之间氢键和共价交联示意图。

图2木材水凝胶和白木的光学以及SEM图片

(a) 去除木质素后白木的照片；

(b) 白木的放大图像清晰地展现出有序的纤维排列；

(c) 白木的高倍SEM图片证实了有序纤维素纳米纤维；

(d) 沿L方向弯曲的水凝胶照片；

(e) 沿R方向弯曲0.01 M的水凝胶照片；

(f) 沿L和R方向弯曲的水凝胶都可以迅速恢复原始柱状结构而没有断裂或者塑性形变；

(g) 去除木质素后木块R方向横截面的SEM图像，显示其内表面有许多孔；

(h) 与PAM水凝胶形成木材水凝胶的R方向横截面的SEM图像；

(i) 木材水凝胶的放大SEM图像，显示出详细的微观结构；

(j) 白木的L方向横截面SEM图像；

(k) 木材水凝胶的L方向横截面SEM图像；

(l) 木材水凝胶的放大SEM图像。

图3 木材水凝胶的力学性质

(a) PAM水凝胶和木材水凝胶R方向上的应力-应变曲线；

(b) 木材水凝胶L方向上的应力-应变曲线；

(c) 与其他水凝胶相比的极限拉伸强度；

(d) 木材水凝胶的SEM侧视图图像，显示PAM网络和白木孔道的详细微观结构；

(e, f) 木材水凝胶的放大SEM图像，显示有序纤维素纳米纤维也通过氢键与PAM分子链交联；

(g) PAM高分子链与有序纤维素纳米纤维间氢键结合的示意图。

图4 木材水凝胶中的离子传输

(a) 木材水凝胶中离子传输的机制示意图；

(b) 测试电路的示意图；

(c) 10^-5 M KCl溶液中木材水凝胶的Zeta电位；

(d) 木材水凝胶和KCl溶液在pH 7左右时，离子电导率与KCl浓度的关系图。

【小结】

本文受肌肉组织结构的启发制备了一种高度各向异性、高强且离子导电的木材水凝胶材料，其中天然木材提供刚性骨架结构而聚合物链作为交联网络。该种木材水凝胶沿L方向的拉伸强度达到36 MPa，而且离子电导率为5 × 10^-4 S cm^-1。因此，有序微结构的仿生设计能够较好地平衡机械性能、离子导电率以及规模化制备等因素，提供了先进水凝胶材料设计的新方向。同时，木材水凝胶的这些优点使得它们有望在软组织、智能传感器设备以及纳米流体器件等领域得到应用。

文献链接：Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels  (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801934)

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。

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