水凝胶是一种富含水的柔软材料，由三维交联聚合物网络和跨越连续水相的网络组成。由于它们与生物组织的显着相似性以及机械性能与其他透视特性的多功能整合，水凝胶已被广泛应用于生物医学设备、软机器人、人造电子皮肤和物联网技术。迄今为止，同时具有高拉伸性(>3000%)和强皮肤附着力(>30 kPa)的工程水凝胶仍然具有挑战性。通常，良好的可拉伸性主要由水凝胶的整体相互作用主导，而牢固的粘附依赖于水凝胶与周围环境的界面相互作用。因此，迫切需要开发一种多重动态相互作用来制造具有显着拉伸性和高粘附性的水凝胶的新方法。
鉴于此，香港城市大学王钻开教授研究团队通过单宁酸启用的动态相互作用（TEDI）完全替代传统的共价交联来设计了一种超拉伸、高粘性和自修复水凝胶。TEDI策略允许同步调节优于传统水凝胶的体积和界面相互作用，包括超过7300%的非凡拉伸性、卓越的自愈能力和50 kPa的强大皮肤粘附力。凭借这些有趣的优点，TEDI水凝胶被证明是一种可准确检测人体运动的可穿戴应变传感器。此外，TEDI策略为设计下一代离子水凝胶提供了新的机会，这些水凝胶可能对可穿戴电子设备和医疗保健监测的应用很有价值。TEDI水凝胶被证明是一种可穿戴应变传感器，可准确检测人体运动。相关工作以“Design of ultra-stretchable,highly adhesive and self-healable hydrogels by tannic acid-enabled dynamic interactions”为题发表在国际顶级期刊《Materials Horizons》上。
TEDI水凝胶的制备
TEDI水凝胶主要由单宁酸（TA）、丙烯酸(AAc)、(3-丙烯酰胺基苯基)硼酸(AAPBA)和氯化钙(CaCl2)组成（图1）。TA可以利用其丰富的儿茶酚基团与AAc、AAPBA和Ca2+相互作用，分别形成氢键、硼酸酯键和配位键，所有这些都是动态的并且能够可逆地破坏和重建。TA发挥两个重要作用：提供足够的非共价交联位点以实现凝胶化，而无需常规化学交联；作为精细定制水凝胶体/界面特性的集成平台。当同时引入TA和Ca2+以产生氢键和配位键时，水凝胶在拉伸应力（从6.23 kPa到24.51 kPa）和伸长率（从593%到6342%）方面都表现出很大的提升。
图1 TEDI水凝胶示意图
水凝胶的机械性能、自修复特性和粘附特性
TEDI水凝胶具有超拉伸性，具有超过7300%的极高伸长率，是对照组P(AAc-coAAPBA)水凝胶的40倍。TEDI水凝胶被拉伸至其初始长度的70倍的光学图像也可以直观地反映出色的拉伸性（图2）。随着TA的增加，TEDI水凝胶的伸长率首先从4230%增加到7300%，然后下降到5036%。自修复水凝胶能够承受许多机械变形证明TEDI水凝胶具有很强的自愈能力，可以恢复到其原始机械性能（图3）。当TEDI水凝胶被切断时，TA介导的动态相互作用如硼酸酯键、氢键和配位键在切割界面上被切割。当两个切割界面相互接触时，这些分离的动态相互作用往往会快速再生，从而允许伤口处的网络恢复。TEDI水凝胶在亲水性和疏水性表面（包括木材、金属、玻璃、橡胶、猪和聚苯乙烯）上具有通用和自适应的粘附性（图4）。通过调整TA剂量显示出从36.12 kPa到52.85 kPa的良好可调粘附，这远高于许多受贻贝启发的水凝胶。
图2 TEDI水凝胶的机械性能
图3 TEDI水凝胶的自修复特性
图4 TEDI水凝胶的粘附特性
TEDI水凝胶应变传感器的潜在应用
作者将其超拉伸性、快速自愈能力和强大的界面粘附力结合在一个设计中，开发了一种可穿戴应变传感器（图5）。即使反复损坏，TEDI水凝胶仍然能够在短时间内（约0.88秒）恢复其初始阻力。TEDI水凝胶显示线性应变响应，应变系数为0.79，响应应变范围甚至高达3000%，超过了许多报道的应变传感器。基于TEDI水凝胶的应变传感器即使在循环加载-卸载过程中也具有稳定、可逆的响应能力。作者进一步检查了TEDI水凝胶的应变传感器在监测各种与应变相关的人类活动中的效用（图6），包括外部压力刺激和关节运动（手指弯曲以及后部和膝关节的运动）。当图形弯曲角度从0°变化到60°时，TEDI水凝胶传感器具有显着的电阻变化。TEDI水凝胶传感器可以对大鱼际和膝关节的大肢体运动做出快速和可逆的响应。TEDI水凝胶传感器也不会引起过敏反应和对皮肤的伤害。
图5 TEDI水凝胶作为应变传感器的潜在应用
图6 TEDI水凝胶应变传感器检测各种人体运动
小结：作者利用TEDI设计了一种超拉伸、高粘性和自修复的水凝胶。与大多数现有水凝胶形成鲜明对比的是，TEDI水凝胶的形成完全依赖于包括氢键、配位键和硼酸酯键在内的多种动态相互作用，从而消除了化学共价交联的使用，赋予了柔性和适应性的聚合物网络，并提供了足够的动态水凝胶的本体和界面内的相互作用。因此，TEDI水凝胶表现出迷人的体积和界面性能，包括超拉伸性（断裂应变为7300%）、显着的自主自愈能力以及通用和强大的界面粘附力（尤其是在猪皮肤上为50 kPa）。TEDI水凝胶简单的制造工艺和引人入胜的优点使其成为可穿戴应变传感器的理想选择。
全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh01324f
来源：高分子科学前沿
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