《Chemistry of Materials》中山大学郭辉综述：水凝胶刺激响应增韧

【介绍】

具有刺激可切换特性的材料在自然界中很普遍。近年来，通过仿生学，刺激响应性水凝胶得到了越来越多的研究。特别是，具有可调节机械性能的水凝胶为设计具有特定应用（如 3D 打印、软机器人和可调节粘附力）的新材料提供了重要平台。

【摘要】

最近，中山大学郭辉副教授携手法国巴黎索邦大学Dominique Hourdet教授团队详细回顾了具有刺激响应韧性的水凝胶的最新技术。首先充分讨论了特征增强机制，然后系统地展示了各种智能水凝胶对各种刺激的反应。特别是热、光、pH 和盐触发，因为它们应用广泛且易于实施，因此受到特别关注。

此外，还包括这些智能水凝胶的应用。除了对最新进展的概述之外，我们最后总结了当前发现的关键挑战，并对以下工作进行了展望，我们预计这些工作将在未来导致这些响应材料的实质性进展。相关综述论文以题为Stimuli-Responsive Toughening of Hydrogels发表在《Chemistry of Materials》上。

【主图导读】

虽然刺激响应性水凝胶已经根据其可调的尺寸、颜色甚至导电性得到了充分的解决和全面的总结，但环境刺激对其机械性能的控制却很少被研究和合理化。为了填补这一空白，本综述强调并总结了具有刺激响应韧性的三维水凝胶领域的最新进展（图 1）。

图 1. 具有刺激响应机械性能的水凝胶示意图。

图 2. 具有响应韧性的水凝胶的机理。(a) 非共价相互作用。(b) 共价键的形成或断裂。(c) 体积变化。(d) 相分离。

图 3. 水凝胶的 LCST 型热响应增韧。

图 4. UCST 型水凝胶的热响应增韧。(a) PAN（NAGA 单体和 PNIPAm）水凝胶在温度变化时的热响应自组装和机械性能的示意图。(b)水凝胶作为机器人的电子皮肤来测试不同的环境温度（冰箱、室温和烤箱）。

图 5. 基于玻璃状转变的热响应水凝胶。

图 6. 基于易熔链接的热响应水凝胶。(a) 原始和愈合双相协同凝胶 (BSGs) 在 20 和 60 °C 下的方案和拉伸应力-应变曲线。(b) 在水或油中表现出不溶胀行为的有机水凝胶的照片，以及有机水凝胶的拉伸应力-应变曲线 在 20 °C、55 °C 和 70 °C 下。

图 7. 具有可调力学的光响应水凝胶。

图 8. 由嵌入添加剂诱导的具有可调力学的光响应水凝胶。

图 9. 具有可调机械性能的 pH 响应水凝胶。

图 10. 具有盐响应性的水凝胶的机理和机械性能。

图 11. 具有霍夫迈斯特效应的水凝胶的机理和机械性能。(a) 由于盐析或盐入效应，由离子诱导的 PVA 聚合物链之间的氢键形成或断裂。(b)各种阴离子调节的 PVA 水凝胶的强度、韧性和模量；不同的阳离子；和 Na2SO4，浓度范围从 0 m 到饱和。(c) 单宁酸包覆的纤维素纳米晶体 CS/PAA/TA@CNC DN 纳米复合水凝胶在饱和 NaCl 溶液中浸泡不同时间后的拉伸应力-应变曲线、弹性模量和断裂能。

图 12. 具有屏蔽离子相互作用和控制渗透压的盐敏感性水凝胶。

【观点总结】

在过去的 4 年里，具有响应特性的水凝胶无疑是一个具有重大学术发展的热门话题。直到 1990 年代，研究人员主要关注响应环境刺激的水凝胶体积相变的热力学方面，并在此框架内设计和研究了许多新的复杂结构。自新世纪以来，在这些系统上获得的大量知识以及实验技术的发展，导致了对水凝胶机械性能的直接研究，以制定智能有效的增强策略。这种新的方向，特别是受到这些膨胀材料在生物医学应用中的潜力的刺激，导致了所研究系统的倍增和复杂化，从而可以考虑使用单个或多个环境触发器来控制它们的机械性能。今天，智能水凝胶的结构/性能关系具有真正坚实的知识基础，其特征在于在热、光、pH 值和/或盐触发下具有响应的机械性能，但需要改进，我们还有很多东西要学习自然。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01019

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