基于动态共价键自愈合水凝胶的构筑、愈合机理及应用研究

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柔性应变传感器在可穿戴设备、可植入装置、柔性机器人以及人造皮肤等领域具有广阔的应用前景。比较于传统的传感器,水凝胶应变传感器由于其仿生结构和性能以及优异的生物相容性而具有巨大的优势。本文利用席夫碱动态共价键和硼酸酯动态共价键制备了三种自愈合水凝胶,通过流变仪、拉伸机、源表等仪器测试了水凝胶的自愈合性能、力学性能和传感性能,揭示了自愈合机理,并探索了水凝胶在传感器中的应用,拓展了水凝胶在柔性传感领域的应用。本文的主要研究内容如下:(1)利用醛基化聚乙二醇(DF-PEG)和壳聚糖(CS)构筑DF-PEG/CS自愈合水凝胶。将醛基化聚乙二醇(DF-PEG)和壳聚糖(CS)在水中混合,由于DF-PEG与CS之间形成了席夫碱键,可以在几秒钟内实现凝胶化。通过扫描电镜分析表明,水凝胶呈多孔网状结构。通过流变仪研究了席夫碱键的动力学形成和解离过程,在DF-PEG的醛基和CS的氨基形成席夫碱键赋予了水凝胶优良的自愈合性能和可逆的p H响应性。通过拉伸机测试了水凝胶的延展性和韧性,断裂应变和应力分别为88.2%和12.1 k Pa。该水凝胶具有良好的应变灵敏度,可作为实时监测人体运动的柔性传感器。因此,所得到的自修复水凝胶将拓宽凝胶在可穿戴电子设备中的应用。(2)采用硼砂,海藻酸钠和明胶构筑了硼酸酯动态共价键自愈合水凝胶(BSG水凝胶)。利用明胶与海藻酸钠之间的多重氢键,以及硼砂与海藻酸钠之间的硼酸酯键制备了BSG双网络自愈合水凝胶。动态硼酸酯共价键的断裂与重筑,赋予了BSG水凝胶良好的自愈合性能。定性分析了水凝胶的粘附性能,发现其能够粘附玻璃、塑料、木头等多种不同材质的表面,这是由于水凝胶中的苯酚和羧基等基团赋予其良好的粘附性。另外,BSG水凝胶可以将形变转化为电子信号,组装成柔性传感器,能够监测膝盖、手指、手腕、肘关节的弯曲和以及吞咽、微笑、眨眼、说话的细微生理信号。这项工作展示了新的思路和方法,以开发多功能自愈合水凝胶构建灵活的柔性传感器。(3)利用硼砂,透明质酸钠和明胶构筑硼酸酯动态共价键双网络水凝胶(BHG水凝胶)。采用一锅法高温下直接混合均匀制备水凝胶,所得BHG水凝胶具有优异的拉伸、机械、韧性等力学性能,通过拉伸机测试水凝胶的拉伸强度达到50.2 k Pa。水凝胶网络主要由动态硼酸酯键和氢键驱动形成,并且由于动态硼酸酯键和氢键的存在,BHG水凝胶具有良好的自愈合性能。由于含有邻苯酚基团,水凝胶还具有良好的粘附性,能够粘附在不同材质的表面。此外,水凝胶可以将形变转化为电子信号(相对电阻的变化),从而组装成柔性传感器,能够监测关节(手指、手腕、肘关节的弯曲)和细微动作(微笑)的实时信号,在健康监测中具有潜在的应用。所制备的BHG双网络自愈合水凝胶,拓展了水凝胶在应变传感器的应用。
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