水凝膠是以水為分散介質(zhì)的具有三維高分子網(wǎng)絡(luò)的親水性材料。水凝膠能夠在多種外界刺激下改變形狀和體積，因此在軟體機(jī)器人、柔性電子器件和傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，也引起了科研人員的關(guān)注。在生物軟組織中，多尺度結(jié)構(gòu)(如表面微/納米結(jié)構(gòu)，有序三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))的存在對(duì)于生物材料的自清潔，耐凍，環(huán)境適應(yīng)性和優(yōu)異的機(jī)械性能等功能至關(guān)重要。受生物水凝膠結(jié)構(gòu)與功能特性的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一系列對(duì)各種機(jī)械和環(huán)境條件具有高度適應(yīng)性的仿生多尺度水凝膠。

圖1 仿生多尺度功能水凝膠的設(shè)計(jì)與制備：從二維界面到三維網(wǎng)絡(luò)

北京航空航天大學(xué)劉明杰教授在《高分子學(xué)報(bào)》2018年第9期上發(fā)表的特約綜述中從水凝膠的二維界面性質(zhì)調(diào)控和三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面系統(tǒng)地總結(jié)了近年來仿生多尺度水凝膠材料的設(shè)計(jì)與制備思路。二維界面設(shè)計(jì)包括表面化學(xué)/物理修飾、表面微/納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，能夠調(diào)節(jié)水凝膠的表面浸潤性和黏附性，拓展水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、海洋防污等領(lǐng)域的應(yīng)用;三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，如引入非共價(jià)交聯(lián)作用、設(shè)計(jì)有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、復(fù)合異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)等，能夠賦予水凝膠自修復(fù)性能、各向異性、高強(qiáng)度、形狀記憶性能及抗凍性等優(yōu)異的特性，拓展了水凝膠在可穿戴設(shè)備，軟體機(jī)器人等領(lǐng)域以及復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。

二維界面設(shè)計(jì)構(gòu)筑仿生水凝膠

通過設(shè)計(jì)水凝膠的表面形貌或組成可以賦予水凝膠與天然凝膠材料相似的功能特性。該綜述對(duì)兩種典型的水凝膠表面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)，包括表面化學(xué)/物理修飾和表面微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，并分析了表面工程在拓寬水凝膠實(shí)際應(yīng)用中的重要作用。

圖2 典型的水凝膠表面設(shè)計(jì)方法: (a) 表面化學(xué)修飾;(b) 表面物理修飾; (c) 表面微/納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑

三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)筑仿生水凝膠

仿生多尺度水凝膠內(nèi)部三維網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可以通過施加外力場取向，引入多種交聯(lián)方式，以及復(fù)合異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)。該綜述將對(duì)這幾種典型的方法進(jìn)行了總結(jié)，回顧了近年來仿生多尺度水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略，討論了三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)拓展水凝膠應(yīng)用的重要作用。

圖3 典型的水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法: (a) 引入非共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò); (b) 構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò); (c) 設(shè)計(jì)異質(zhì)互穿網(wǎng)絡(luò); (d) 設(shè)計(jì)油水微相分離網(wǎng)絡(luò)

此外，該文對(duì)仿生水凝膠網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的分散以及無損表征等方面未來的發(fā)展以及該領(lǐng)域所存在的挑戰(zhàn)做出了展望。

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