成果展示

孙平川课题组仿水母构建具有荧光、自愈、电响应的超韧水凝胶
2021-09-15

来源:新材料资讯


  智能荧光水凝胶已经广泛应用于人工肌肉、软机器人、生物电子学、生物传感器和生物监测等领域。近年来,层次结构被广泛用于构建自愈水凝胶。然而,却额外需要引入离子基团才可以实现电响应性。一般也需要在聚合物结构中引入独特的荧光发色团来获得光致发光(PL)性质。但这些额外的功能性或响应性大大增加了水凝胶的制备难度,导致其应用潜力受到严重制约。

  近日,南开大学孙平川研究员课题组受水母荧光蛋白的氢键结构和生物膜中跨膜蛋白精细的尺寸控制功能的启发,设计合成了一种新型的具有荧光、电子响应和超韧的水凝胶。该水凝胶中具有多重氢键等物理作用不仅增强增韧了水凝胶,也因为形成了微观层次结构使水凝胶具有电响应性。意外的是,这种多重氢键聚集体与聚电解质提供的富电子团簇之间的协同作用导致了光致发光性质。该项研究成果以“Fluorescent, Electric Responsive and Ultratough Self-Healing Hydrogels via Bioinspired All-in-One Hierarchical Micelle”为题发表在国际著名期刊Materials Horizons上,第一作者是已毕业博士刘涛。

  水凝胶的制备:首先将离子型AMPS、SDS和疏水性的4-(6-(3-(6-甲基-4-氧基-1,4-二氢嘧啶-2-基)脲基)己基氨基酰氧基)-丙烯酸丁酯(UPyHCBA)单体在水溶液中自组装形成胶束。然后,在胶束溶液中加入丙烯酰胺单体(AAM),通过过硫酸钾(KPS)在60℃下引发胶束自由基聚合来促进水凝胶的形成。其中,AMPS和UPyHCBA分别在胶束的壳内和核内聚合导致核-壳胶束的原位形成,从而发挥类似大分子交联剂的作用促进水凝胶的形成。

  这种可逆物理作用形成的含脲基嘧啶酮(Upy)基团的疏水胶束核赋予水凝胶极强的韧性和自愈性。在胶束核中,氢键网络和具有电子堆积相互作用的团簇形成了一种新型的“发色团”, UPy基团的聚集导致的疏水胶束核紧密堆积,分子内运动受限,呈现出聚集诱导发光增强(AIEE)。水凝胶中的PAMPS也可以完全电离,并导致水凝胶在电场下实现双向弯曲响应。将凝胶样品置于电压为30 V电场驱动装置中(Na2SO4水溶液),凝胶条立即向阴极弯曲。当电极电压为-30 V时,水凝胶向相反方向弯曲。10min后,水凝胶回到起始位置,15min后,水凝胶弯曲几乎高于液面。该水凝胶还可以作为水凝胶悬臂用于提升货物。


论文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh01172c


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