四川师范大学考研，四川师范大学考研分数线
在软体机械人、生物医学工程领域材料以及柔性电子设备领域所使用的最理想的水凝胶材料需要具备和人体肌肉组织一样的力学特性，即在小应变下通常模量较小且容易变形的，然而在大应变下迅速发生硬化，以保护其免受机械损伤。肌肉的这种独特的力学特性来自于动态和分层组织网络的渐进变形：在小变形时软弹性纤维的无负荷拉伸，而在较高应变时坚韧的胶原蛋白纤维的负荷拉伸和滑动。因此尽管肌肉组织的含水量很高（70-85wt.%），但它拥有高强度、优越的自我恢复特性、出色的抗疲劳性等。
然而要想在一个单一的水凝胶网络中实现这些肌肉组织所具备的力学特性是很困难的。很多方法，例如构建可逆共价键网络、引入纳米填料、和设计互传聚合物网络等方法已经被开发出来以显著提高水凝胶的机械强度和韧度。然而，这些强韧的水凝胶通常表现出较差的自我恢复特性和抗疲劳性。此外，这些水凝胶没有拉伸硬化的力学行为，因为这种网络缺乏能够经历从软到硬变形的层次结构。
近期，四川师范大学赵丽娟联合四川大学吴锦荣团队提出了一种铁离子诱导的盐化和配位交联策略，实现了一种多级结构水凝胶网络（P(AM-AN-MA)/Fe3+），其分子网络包括连接弯曲链的偶极-偶极相互作用，富含丙烯腈（AN）的富集微区，以及均匀的铁-配体相互作用。该设计允许网络在小应变下无应力变形，通过富含AN的团块的弹性变形展开弯曲的片段，并在大应变下依次打破偶极-偶极相互作用和铁-配体相互作用，所学要的应力从弱到强。因此，水凝胶表现出类似肌肉组织的机械性能：低弹性模量（0.06 MPa）、高强度（1.4 MPa）、高韧性（5.1 MJ）、强烈的拉伸硬化能力（27.5倍的刚性增强）、优秀的自我恢复能力和抗疲劳性。此外，该水凝胶表现出高水含量（≈84%）、良好的生物相容性和对应变、压力传感性能。该工作以题为“Compliant and Robust Tissue-Like Hydrogels via Ferric Ion-Induced of Hierarchical Structure”的文章发表于 Advanced Functional Materials上。
P(AM-AN-MA)/Fe3+水凝胶结构设计
通过丙烯酰胺（AM）与丙烯腈（AN）和马来酸（MA）共聚未交联的水凝胶。根据 13C核磁共振（NMR）谱，P（AM-AN-MA）中AM、AN和MA的重复单元含量分别为89.4%、8.0%和2.6%。将水凝胶被浸泡在FeCl 3溶液中，然后在纯水中膨胀，达到平衡状态。由此产生的P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶。由于FeCl 3和水之间的相互作用比AN单元和水之间的相互作用强得多，所以显示出明显的盐析效应。因此，AN单元在Fe3+存在下自发地聚集在一起，形成富含AN的团簇。水凝胶基质中的AN单元可以通过疏水和偶极-偶极相互作用被1,4-双(2-氰基苯乙烯)苯特异性标记，P(AM-AN-MA)和P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶的共聚焦图像中有荧光而P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶的共聚焦图像中没有信号这一事实证实了AN的团簇的形成。选择MA作为另一种共聚物是由于它的强极性和顺式替代结构。由于MA不能均聚，而是与其他单体共聚，因此MA单元沿聚合物链均匀分布。通过MA单元与FeCl 3的配位可以形成一个均匀的网络，紫外-可见光谱中455和458 nm处吸收峰的出现证明了Fe 3+-COO -的配位相互作用。
P(AM-AN-MA)/Fe3+水凝胶的力学性能与传感应用
由于P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶具备弯曲的链段和具有不同松弛时间的多种相互作用，使其具备类似于韧性组织的机械性能。P(AM-AN-MA)水凝胶具有高断裂应变但低断裂强度，而P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶则有高断裂强度但低断裂应变。偶极-偶极相互作用和Fe3+-COO-配位相互作用的结合使P(AM-AN-MA)/Fe3+水凝胶同时具有P（AM-AN-MA）和P（AM-MA）/Fe3+水凝胶的优点：高断裂应变（800%）和强度（1.4MPa）。此外，弯曲的链段使在小的应变下保持无应力，P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶的初始弹性模量约为0.06兆帕。而多种相互作用是的P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶拥有高达5.1 MJ m -3的韧性。P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶还具有出色的拉伸硬化行为。通过真实拉伸应力-应变曲线发现，水凝胶的失效前的真实模量（Etrue2）和初始真实模量（Etrue1）的比率计算，强度的增强可达到27.5倍。P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶的强度增强效应超过了大多数报道的应变增韧水凝胶。相比其他水凝胶，P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶具有优异的综合性能，包括高含水量、低弹性模量、高拉伸强度、高断裂应变和韧性。
因为AN单元中的氰基具有高偶极矩，P(AM-AN-MA)/Fe 3+水凝胶具有压电性。当水凝胶被压缩时，水凝胶中AN单元的内部偶极矩发生变化，导致外部电路中出现电信号。因此，水凝胶也可以作为传感器来检测压力变化。该材料做的压力传感器可以在很宽的压力范围内工作，在低压范围内（<100 kPa）的灵敏度为0.094 mV kPa-1，而在高压范围内（>150 kPa）的灵敏度为0.001 mV kPa-1。此外，该压力传感器表现出可靠的耐久性。将水凝胶薄膜压到25、50、100和200 kPa的固定压力反复压缩，电压变化几乎一致。
小结：这项工作提供了一种新的策略，利用盐析出效应和羧酸与金属离子的配位作用制备能够模仿组织力学特点的水凝胶。该水凝胶具有低拉伸低模量以及拉伸变硬的力学特点，是一种可以应用于软体机器人、生物医学工程领域的理想材料。该该料的设计思路扩大了水凝胶在软体机器人、可穿戴设备和生物医学工程中的应用。
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来源：高分子科学前沿
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