东南大学团队工作，奇材馆整理

【文章概述】

水凝胶材料具有与人类皮肤相似的生理和力学特性（如柔韧性、可愈合性、感知性和响应性），其主要由渗入水的生物大分子网络组成。聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）凝胶是一种典型的温敏性智能水凝胶，在接近人体生理温度的低临界溶液温度（LCST，约32℃）附近具有可逆的体积相变行为，是模拟人体皮肤温度感知功能的理想材料。然而，现有的PNIPAM水凝胶的温度响应范围窄、机械强度差、不可自愈等缺点阻碍了其在人工智能皮肤领域的巨大潜力。为了解决这些问题，研究人员通过交联或自组装策略开发了各种基于PNIPAM的复合水凝胶。然而，当前来说，开发出具有宽响应范围、高度可伸缩和可愈合特性的智能温敏水凝胶来模拟人体皮肤的温度感知功能仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

为了实现这一目标，东南大学徐华副教授团队采用自组装交联策略，研制了一种新型的PNIPAM/PNAGA双网络水凝胶。得益于PNIPAM和PNAGA之间的双网络结构和丰富的氢键相互作用，PNIPAM/PNAGA水凝胶实现了0-32.5 8C(LCST)和32.5-65 8C(UCST)的宽且可调的双温度响应行为，并显示出优异的力学性能，最大拉伸强度为51.48 kPa，断裂伸长率超过1400%，压缩应力超过1 MPa，杨氏模量约为5.51 kPa，优良的自愈性能接近100%。据我们所知，这是已报道的基于PNIPNm的双温敏水凝胶中机械强度最高的，同时首次实现了双温敏水凝胶的可愈合性能。PNIPAM/PNAGA水凝胶具有可以模拟人体皮肤的能力，可以监测各种环境温度，如人体皮肤温度、冷热水、冰箱温度、室温和烤箱温度，在电子皮肤、可穿戴设备、仿生学等领域具有广阔的应用前景。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

 【图文导读】

基于自组装交联策略的PNIPAM/PNAGA双网络水凝胶的制备机理见图1。在室温下，通过加入热引发剂过硫酸钾和促进剂N，N，N’，N’-四甲基乙二胺，使单体NIPAm和交联剂N，N’-双(丙烯酰基)半胺（BAC）的混合物热聚合得到PNIPAM。然后将PNIPAM在低温下溶解，在上述溶液中加入单体NaGA和BAC（图1A），并通过氢键与PNIPAM自组装（图1B，青色球）。采用热聚合法（图1C）制备了PNIPAM/PNAGA双网络水凝胶。凝胶具有共价连接的PNIPAM/PNAGA双网络结构，嵌入了各种氢键相互作用，包括PNIPAM之间的氢键（图1B，黄球）、PNIPAM和PNAGA之间的氢键（图1B，蓝球）和PNAGA之间的氢键（图1B，紫球）。PNIPAM和PNAGA分别是LCST和UCST类型的温敏材料，因此共价交联的PNIPAM/PNAGA水凝胶可以实现LCST和UCST广泛的双重温度响应行为。同时，可以通过改变单体比例来调节温度响应特性。此外，共价连接的双网状结构使水凝胶具有优异的机械拉伸性能，而各种氢键使水凝胶在断裂时具有优异的固化性能。

图1：(A)NAGA、NIPAm和BAC的分子结构。

(B)PNAGA之间的氢键、PNIPAM之间的氢键以及PNAGA和PNIPAM之间的氢键。

(C)基于自组装交联策略的PNIPAM/PNAGA双网络水凝胶的机理图解。

图2：PNIPAM/PNAGA-4水凝胶的热响应性。PNIPAM/PNAGA-4水凝胶在不同温度下的透过率曲线。

图3：(A)不同单体比例的PNIPAM/PNAGA水凝胶的DSC曲线。

(B)PNIPAM/PNAGA-4的储存模量G’和损耗模量G’’随温度的变化。

(C)PNIPAM、PNAGA和PNIPAM/PNAGA-4在不同温度下在纯水中的平衡溶胀率。

PNIPAM、PNAGA和PNIPAM/PNAGA-4水凝胶在(D)25 1C和(E)60 1C的SEM图像。

图4：PNIPAM/PNAGA-4水凝胶的力学性能 

图5：PNIPAM/PNAGA-4的固化性能 

图6：(A)PNIPAM/PNAGA-4水凝胶对夏季人体皮肤温度(手的温度约为35℃)的响应。

(B)PNIPAM/PNAGA-4水凝胶对冬季人体皮肤温度的响应(手的温度在32℃左右)。

(C)PNIPAM/PNAGA-4水凝胶作为机器人的电子皮肤，测试不同温度的水。

(D)水凝胶作为机器人的电子皮肤，测试不同的环境温度(冰箱、室温和烘箱)。

【论文信息】