Small:可纺微/纳米纤维的超强拉伸、粘附性和抗菌性水凝胶

为了满足不同应用的需求,如:柔性电子设备,伤口修复,器官组织模拟,软体机器人等,水凝胶被制作成了三维,二维或者一维的材料。相对于三维或者二维水凝胶,一维水凝胶,也被称为水凝胶纤维,具有很小的表面积,这也意味着水凝胶纤维在相同的负荷之下,会承受更大的压强,这也使得在应用中对水凝胶纤维的机械强度有着比三维或者二维更高的要求。尽管已报道的水凝胶纤维有着不错的机械性能,但这些纤维基本上都是通过人工拉丝形成的,不能够应用于大规模生产,这也限制了这些水凝胶纤维在工业和生活中的实际应用

卡尔加里大学化学和石油工程系吕清叶教授团队基于银-木质素纳米颗粒诱导的氧化脱羧和醌-领苯二酚的可逆氧化还原反应,并在水凝胶前驱液中加入柠檬酸,丙烯酸和聚(丙烯酰胺-共-丙烯酸)。经过室温下反应交联,形成了具有持久粘附性,强抗菌性和强可纺丝性的水凝胶。该水凝胶的拉伸性能极其优异(超过12400%),并可通过手动拉丝,电纺机,自制抽丝机制作微米或纳米级水凝胶纤维。所得的微米级纤维显示出了卓越的机械性能,包括422.0兆帕拉伸应力,86.5%的应变,8.7 GPa的杨氏模量和281.6 MJ m-3的韧性。此外,纳米级纤维可通过电纺机纺到个人防护设备(如口罩)上形成一层对于细菌气溶胶有接近100%杀菌效率的抗菌涂层。论文的第一作者为何潇博士后研究员。

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图1. a) 通过“接触-分离-拉伸”的方法手动从超拉伸水凝胶中生成微米级水凝胶纤维,水凝胶微米纤维的b) 外部和c)横截面扫描电子显微镜图像,水凝胶微米纤维承受d)扭转,e)弯曲,f)打结和g)承重。其中图g)表现为单根直径约为50微米的水凝胶纤维成功承受住质量为11.9克重量的挂饰。
图2. a)通过19号针头,用超拉伸水凝胶写出“UCHYDROGEL”,b)用来大规模生产水凝胶纤维的自制抽丝机,c)纺出的水凝胶纤维具有均匀的直径和d)单根纺丝水凝胶纤维的拉伸应力-应变曲线。d)中的插图表现为用9.5毫克水凝胶纤维束成功吊起317.2克重量的瓶装甲醇,显示了纺丝水凝胶微米纤维优异的机械性能。
图3. 通过电纺机纺出的纳米级水凝胶纤维应用:a,b)具有水凝胶纳米纤维涂层的口罩(HFM)和普通商业口罩(CM)表面的扫描电子显微镜图像。c,d) 图a和b中红色区域的放大微观结构(背散射电子图像),其中图c证明了银纳米颗粒(白点)在水凝胶纤维中的良好分散性,e,f)在暴露在细菌气溶胶之后在周围环境中放置2小时候,具有水凝胶纳米纤维涂层的口罩和普通商业口罩的抗菌效率对比。

论文:

Ultrastretchable, Adhesive, and Antibacterial Hydrogel with Robust Spinnability for Manufacturing Strong Hydrogel Micro/Nanofibers

Xiao He, Zhangkang Li, Jia Li, Dinesh Mishra, Yuxuan Ren, Ian Gates, Jinguang Hu, Qingye Lu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103521

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202103521