剑桥大学：纤维素和明胶制备机械变色、结构着色和可食用的水凝胶

【摘要】

羟丙基纤维素 (HPC) 是一种可食用、经济高效且应用广泛的纤维素衍生物。在水中的溶致条件下，HPC 形成具有特殊机械变色响应的光子液晶中间相。然而，由于物理交联不足，光子 HPC 可以作为粘性液体自由流动，防止在没有任何外部封装或结构限制的情况下利用这种机械变色材料。

最近，剑桥大学Silvia Vignolini教授团队通过在水中混合 HPC 和明胶以形成自支撑、粘弹性和可食用的超分子光子水凝胶来解决这一挑战。结果表明，溶致 HPC 溶液的结构着色、机械变色和非牛顿剪切稀化行为都可以保留为凝胶状态。此外，与仅液体 HPC-水系统相比，HPC-凝胶的刚性提供了缩短 69% 的机械致变色弛豫时间恢复其初始颜色，响应压缩压力将 HPC 的动态颜色范围扩大约 2.5 倍。最后，以可扩展的方式仅从水和“食品级”成分配制 HPC 凝胶的能力开启了广泛的潜在应用，从响应可调的机械变色材料和无着色剂食品装饰，到短期传感器例如，用于食品包装的可生物降解“智能标签”。相关论文以题为Mechanochromic, Structurally Colored, and Edible Hydrogels Prepared from Hydroxypropyl Cellulose and Gelatin发表在《Advanced Materials》上。

【主图导读】

图1 HPC-水（左）和 HPC-凝胶（右）的红色、绿色和蓝色样品，分别对应于 36、34 和 32 wt% 的水；均含有 0.005 wt% 苯胺黑。a) 样品包含在 6 毫米厚的橡胶 O 型圈内，用环氧树脂胶密封在载玻片之间。圆圈的直径为 20 毫米。b) Falcon 管 (50 mL) 中的样品倒置放置 48 小时。c) 放置在两个载玻片之间的独立样品，并在重力下静置至少 1 分钟。色比例尺为1厘米。

图2 在 20 °C 下记录的 HPC-水（实线）和 HPC-凝胶（虚线）样品的流变扫描曲线随着含水量的降低而降低。每个图显示了三个运行的平均值，每个点的标准偏差由误差线给出。

图3 a,b) 明场显微镜图像比较 HPC-水 (a) 和 HPC-凝胶 (b) 的光学外观以增加水含量 (wt%)，并通过右旋圆偏振滤光片成像。白色比例尺为 50 µm。c) HPC-水（实线）和 HPC-凝胶（虚线）的相应显微光谱。每条曲线是每个样本的三个光谱的平均值，并在不同位置采集。

图4 a,b) HPC-水（紫色圆圈）和 HPC-凝胶（红色十字）的红色样品在可比压缩下的内插机械变色恢复，以及在与 HPC-水可比颜色变化下的 HPC-凝胶（棕色菱形），绘制就色调的绝对变化 (ΔHue) (a) 和自归一化到记录的最大色调 (b) 而言。时间常数 τ 表示感兴趣区域内的所有像素衰减到其原始值的 1/e ≈ 36.8% 所需的时间。每个图是两个可比较实验的平均值。c) 色压图显示了在不同幅度压缩时记录的 HPC-gel 的最大 ΔHue 和相应的τ。

【总结】

广泛使用且具有生物相容性的构建块已结合在易于扩展的配方过程（行星离心混合）中，以生产结构着色的 HPC-明胶水凝胶，既可以模塑为固体，也可以加工为液体。光子液晶 HPC 中间相的理想溶致依赖性被保留为凝胶状态。此外，HPC-gel 将 HPC 的特征机械变色保留为自支撑粘弹性固体结构，但在可比较的全可见光谱色移时具有更短的机械变色弛豫时间。这提供了动态压力范围的实际拓宽，可以产生可见的机械变色响应。这些效果归因于在 HPC 中间相中仅引入 7.0 wt% 的猪明胶后弹性增加。还保留了显着的剪切稀化假塑性，它能够在增加的剪切速率下实现凝胶到液体的转变，一旦剪切减小，就会松弛回自支撑凝胶状态。因此，生产的 HPC 凝胶被证明是用于快速商业开发的通用材料，其剪切稀化行为允许成熟的工业加工技术，如挤出、浇铸或高速旋转纺丝，在大规模生产设置。最后，由于该系统可以使用市售可食用成分在规模上完全实现，因此可以解锁各种潜在的具有成本效益的机械变色材料，从无着色剂的食品装饰到短期传感器，例如可生物降解的“智能”标签”用于食品包装。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202102112

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