广东
研究背景
水凝胶含有大量的水，具有三维网状结构，在软体机器人、再生医学、组织工程、离子微器件等方面具有广阔的应用前景。然而，大多数现有的水凝胶机械薄弱，易碎，拉伸性差。受天然韧带设计的启发，将纤维（如聚乳酸纤维、玻璃纤维、钢丝绒纤维和间位芳纶纤维）引入水凝胶已成为制造高性能水凝胶的实用方法。Gong等人将市售的玻璃纤维机织织物与坚韧的聚两性聚合物水凝胶相结合作为基体相，发现这种组合显著提高了有效撕裂能，最高可达250000 J/m2。同样，Suo使用聚n -异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)/壳聚糖水凝胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维开发水凝胶-网状复合材料（HMC），有效地在大面积上分配力。然而，这些硬纤维复合水凝胶虽然坚固，但通常表现出低拉伸性。最近，我们展示了一类新的超分子海藻酸钠（SA）纳米纤维双网络（DN）水凝胶，具有提高的强度和拉伸性。尽管取得了这些进步，但纤维的极薄和其内部的弱氢键导致其强度和拉伸性仍然不够。因此，整合平衡强度和拉伸性的水凝胶仍然是一个重大挑战。
文章亮点
强而可拉伸的水凝胶需求量很大，但由于强度和拉伸性之间的权衡，具有挑战性。本文以膨化海藻酸钙纤维（CAF）为第一耗能网络，成功制备了具有高强度和可拉伸性的海藻酸钠/聚丙烯酰胺（SA/PAM）双网（DN）水凝胶。膨胀纤维具有两种功能：均相SA离子交联聚合物网络和软纤维增强。与硬纤维相比，软纤维提供了更有效的能量耗散从软纤维到液体水凝胶的传递。所制备的水凝胶具有高拉伸强度（0.83 MPa）、高拉伸率（4230%）和高韧性（15.7 MJ/m3），分别是SA/PAM水凝胶的5倍、3倍和14倍。这种软纤维增强策略为制备高性能水凝胶提供了新的途径，拓宽了其应用领域。
结果解析
图1.纤维形态及水凝胶的制备工艺。(a)结构。(b) Macrophotograph。(c) CAF的偏光显微镜。(d)高性能CAF/PAM水凝胶的设计和机理示意图。CAF溶液（0.75 wt%） (e)和CAF/PAM水凝胶(f)膨胀后冷冻干燥后的CAF扫描电镜图像。
图2. SA和CAF水溶液的流变行为。(a)不同含量的SA和CAF溶液的显微照片。（瓶子的样品从左到右分别为0.75 wt% SA, 0.90 wt% SA, 0.45 wt% CAF, 0.60 wt% CAF, 0.75 wt% CAF, 0.90 wt% CAF） (b) SA和CAF水溶液的稳态粘度与剪切速率的关系。(c) SA和CAF水溶液的存储模量（G0）和损耗模量（G00）随角频率的变化曲线。(d) CAF溶液（0.75 wt%）承受10000%应变处理的剪切恢复试验（G0-红，G00-蓝），（高振幅振荡参数：γ¼10000%，ω¼10 rad s-1，低振幅振荡参数：γ¼0.5%,ω¼10 rad s-1）。
图3. (a) SA/PAM, (b) SA/PAM/Ca2þ水凝胶和(c) CAF/PAM水凝胶的SEM图像。(d)肿胀行为。
结论与展望
综上所述，我们成功地制备了一种基于CAF纤维代替原始SA的均相DN水凝胶。制备的水凝胶力学性能优于普通的SA/PAM DN水凝胶。在充分交联并经历张力后，CAF纤维有助于形成第一个均匀的物理网络。与初始长度相比，它们可以拉伸超过42倍，韧性为~15.7 MJ/m3。该水凝胶的拉伸性能是所有基于SA的DN水凝胶中最大的。在大应变3000%和压缩应变90%的松弛循环后，水凝胶保持稳定，具有良好的愈合能力。本研究为合成具有高拉伸韧性的sa基水凝胶提供了积极的探索。它将在需要更高机械性能的领域扩展sa基水凝胶。
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.10.007
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