杨俊课题组在纳米纤维素自愈合复合水凝胶方面取得系列进展 -

高强度水凝胶是一类具有三维交联网络的软湿性材料，在柔性电子器件、生物组织替代、组织工程支架等领域有巨大的应用潜力。赋予水凝胶材料自愈合（自修复）能力可以自动修复损伤，恢复其结构和功能，从而提高凝胶材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延长其使用寿命。然而，高强度水凝胶的聚合网络需要强度较高且稳定的交联，而实现水凝胶自愈合需要动态可逆的交联，因此，高强度和自愈合从本质上来讲是相互矛盾的。如何制备同时具有高机械强度和优异自愈性能的水凝胶材料是水凝胶研究中的一项重要挑战。

为实现凝胶材料高强度和自愈合性能的集成，北京林业大学杨俊研究小组与北京化工大学万鹏博研究小组合作设计了一种基于纳米纤维素增强和配位键可逆修复的复合水凝胶材料。通过在纳米纤维素表面均匀涂布单宁酸并进行自由基原位聚合和离子交联，形成具有动态交联结构特征的高强度凝胶材料。此外，该凝胶材料还具有优异的粘附性和应变响应的导电特性，可直接黏附到人体的皮肤上，用来检测手指弯曲等大形变以及脉搏跳动等微弱的生理信号。成功地将组装后凝胶传感器应用于投篮训练姿势矫正，并可通过人体运动实时监测系统在智能手机客户端对用户健康状况进行分析和诊断。这项工作为设计纤维素基的多功能水凝胶提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性电子和医疗保健监测的实际应用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”为题在线发表在《Chemistry of Materials》(2018,30 (9), 3110–3121) 期刊上。

最近，该小组根据生物体组织力学特性，将单宁酸包覆的纳米纤维素均匀分散到聚乙烯醇和硼酸体系中，制备得到的凝胶材料不仅兼具高强度和快速修复能力，还展现出独特的应变硬化特性和动态粘附性，这种具有仿生动态力学特征的凝胶材料与人体软骨组织具有相似性，为后续探索其在生物医学材料领域的应用提供了新的途径。该研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”为题在线发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。