受肌肉启发的高度各向异性、高强且离子导电的水凝胶

baoxiaowan

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。

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。

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)