浙江
导电水凝胶已经在可植入式电子，组织工程，柔性驱动器等新兴科学技术领域有广泛的应用。然而同时实现导电水凝胶高强度和高电导率仍然面临挑战。离子导电水凝胶的电导率可以达到0.1 S/cm这个数量级。传统的金属纳米颗粒，碳纳米管，或者导电高分子复合水凝胶的电导率也很难超过1 S/cm , 这是由于导电材料在水凝胶网络中的随机分布导致其很难在低掺杂量的条件下形成足够的导电通路。但是提高导电材料的掺杂量又会影响水凝胶含水量和力学等方面性能。
近日，香港大学徐立之教授团队报道了一种新的基于纳米网络模板法来构建高强度和高电导率水凝胶。以芳纶纳米纤维和聚乙烯醇自组装形成的复合纳米纤维网络为模板，在纤维网络中进行聚合反应形成的聚吡咯复合在网络的纤维上，形成新的导电高分子纳米纤维网络。该纳米纤维网络的导电阈值低至1 wt%的聚吡咯。随着聚吡咯含量提高，纳米纤维网络水凝胶的电导率可高达~80 S/cm，并具有~9.4 MPa的强度和~36%的伸长率。该导电水凝胶优异的电学和力学性能很难在其他材料体系中实现。此外作者通过简单的加工技术，制备了各种图案化结构，证明该材料在可穿戴电子器件方面的应用。心肌细胞在该导电水凝胶上的培养，表现出快速成熟并进行自发地有节律地收缩，说明了材料良好的生物相容性以及在组织工程方面潜在的应用。该工作以“Hybrid assembly of polymeric nanofiber network for robust and electronically conductive hydrogels” 为题发表在《Nature Communications》（Nat. Commun. 14, 759 （2023））。文章的通讯作者是香港大学机械工程系徐立之教授。
图1，导电水凝胶的结构和设计
制备过程如下：芳纶纳米纤维和聚乙烯醇分散在DMSO中，经过浸泡在水中进行溶剂交换，高分子之间由于强氢键相互作用收缩形成了具有纳米纤维的水凝胶网络。吡咯单体通过三价铁离子的氧化，在网络中进行聚合反应。形成的聚吡咯完美地结合在纤维网络上，形成具有相似拓扑结构的导电高分子纳米纤维网络。该导电纳米纤维网络的水凝胶材料具有良好的电导率以及延展性。简单创新的合成体系可以实现高电导率和高强度水凝胶的制备。
图2，独特的电学特性
电学测试表明该水凝胶的导电阈值低至~1%，明显低于其他电活性物质掺杂的导电水凝胶体系。在相同的合成条件下，采用芳纶纳米纤维网络为模板原位聚合形成的导电水凝胶其电导率高出没有纤维网络所形成的导电水凝胶3个数量级以上。另外其他导电高分子在芳纶纳米纤维网络中的聚合也具有类似的现象。利用纳米模板法制备的导电水凝胶的体系远远优于传统的制备体系，可以实现导电水凝胶电导率几个数量级的提高。
图3，导电水凝胶拉伸中的行为
由于纳米纤维网络的增强作用，导电水凝胶通过组分的调控，其强度区间在2-9.4 MPa，伸长率区间在20-55%。同时，该导电水凝胶独特的导电通路结构导致其在形变过程中电阻变化很小，这是由于形成导电通路的纳米纤维网络在拉伸过程中发生了取向性地形变而网络结构仍然保持完好。该导电水凝胶的抗拉伸能力以及保持电阻稳定的能力在柔性电子中具有重要的应用。
图4，材料在可穿戴电子器件方面的应用
图5，材料在组织工程方面的应用
基于该水凝胶优异的电学和力学性质，该导电水凝胶可以应用在对生理电信号的检测，成为可穿戴电子器件的电极和导线材料。同时由于其良好的生物相容性，使其可以应用在神经和心脏的可植入系统。未来可以对该材料微尺度化，构建材料和细胞的多功能界面，实现在生物医学方面更广泛的应用。
课题组主页：
https://xulizhi.hku.hk
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论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36438-8
来源：高分子科学前沿
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