沈化赵大伟/东林于海鹏/盛京医院孙丽莎AFM:分子诱导实现超薄纤维素离子凝胶图案化制备

纤维素作为一种天然多糖聚合物，广泛存在于木材、竹材等生物资源中。随着，石化资源的消耗及伴随的环境、生态、健康等问题，生物质纤维素及衍生材料的高品质设计与高值化利用受到越来越多的关注。通过对其在分子尺度的链结构设计、超分子网络构型调控、刺激诱导组装/聚集、微观形貌可控构筑，这一单个或集成串联式策略设计，开发了高性能的纤维素离子凝胶、生物塑料、生物橡胶弹性体等增值材料，扩展了机械性能、离子导电性、耐候性、光-热性能，及自调控性，在智能建筑、航空航天、柔性电子、生物医疗等领域展示出吸入的应用前景。

相比于同一尺度下的（如分子尺度）诱导调控与组装设计，多尺度下的（如分子+纳米/微米尺度）组装设计更具有挑战性，这需要克服界面上的兼容性、稳定性、均匀性等问题，同时还要达成多尺度物质组分在诱导设计中的协调组合与同步剥离组装。基于前期的纤维素膜剥离研究基础（Nature Synthesis, 2023, 2(9): 864-872），近日，沈阳化工大学赵大伟、东北林业大学于海鹏、中国医科大学附属盛京医院孙丽莎合作研究，突破了活性物质种类、颗粒尺寸几乎不受限制的图案化纤维素离子凝胶器件的快速（约10 s）、超薄（厚度12.46 µm，约为发丝的1/9）、可控剥离制备（厚度、形貌均可控）。得益于活性物质（PEDOT、MOF、MXenes、活性炭、Ni粉等）与纤维素分子链间的物理缠绕及氢键作用，获得的图案化超薄器件呈现出稳定的界面结构（耐沸水、剥离等）、高的机械性能（拉伸强度6.5 MPa）、高的压力灵敏性（75.82 kPa-1）及低的神经阻抗（5.83 Ω at 1 kHz），在柔性电子皮肤、生物医疗健康、神经网络修复等领域具有巨大潜力。相关成果以“Ultrathin Cellulose Ionogel Devices through Solvent-Induced Peeling”为题发表于Advanced Functional Materials期刊。文章第一作者为沈阳化工大学硕士研究生赵禹桥。

构建了2种类型的纤维素分子体系，一种为纤维素-[Bmim]Cl分子体系，另一种为纤维素/活性物质-[Bmim]Cl分子体系，基于前期工作（Matter, 2020, 2(2): 390-403）探索的纤维素离子凝胶热依赖的自修复特性，实现了纤维素离子凝胶的图案化整合设计。借助引入的溶剂分子来引导纤维素分子链与活性物质颗粒的组装与聚集分布，最终获得了超薄纤维素离子凝胶器件的快速、可控、可设计性剥离制备，其界面稳定性、机械性能、离子性能等具有突出的优势。

图1纤维素离子凝胶图案化构建与诱导剥离制备超薄纤维素离子器件研究

该图案化离子凝胶界面整合与诱导剥离设计展现出很好的界面结构稳定性及可扩展性，活性物质种类可为导电聚合物（PEDOT）、MOF材料、Ti3C2Tx，亦可为活性炭、金属粉（Ni）等常规颗粒材料，突破了活性物质限制所带来的超薄器件的功能单一性问题。这些图案化离子凝胶在机械性能与离子电学性能方面，不会因为活性物质的加入而受到影响。

图2图案化离子凝胶的结构、性能与可扩展性研究

正如图3所示，各种图案化的离子凝胶在溶剂分子的诱导调控下，实现了超薄器件的快速、可控与重复性剥离制备，且可通过调控溶剂诱导时间，对图案化超薄器件的厚度、形貌结构、机械性能、离子电学性能等进行可控的、定制化的设计。基于这种特性，科研人员可以将多种功能属性的材料整合到一个超薄器件中，进而实现其性能的局域化、模块化及集成化设计，而且不用考虑界面结构的影响。

图3图案化纤维素离子凝胶器件的快速剥离制备

该图案化纤维素离子凝胶超薄器件（如图4所示），展现出吸引人的界面结构稳定性，即使经过沸水蒸煮（100 °C）、常时间浸泡 (24 h)、外力撕扯剥离 (500次)，其依然呈现出完整的界面结构与微观形貌稳定性。这样特性使得该图案化离子凝胶器件在实际使用过程中，可以承受日常摩擦损耗与雨淋的影响，扩展了其应用领域与使用寿命。

图4超薄器件的结构与界面稳定性研究

基于其出色的界面结构稳定性、机械力学性能、离子电学性能，图案化超薄纤维素离子凝胶器件可以作为柔性电子皮肤、神经网络器件及热-电器件应用于柔性电子、生物医疗健康检查及人体组织修复等领域。通过对其进行细胞毒性测试验证，这些图案化的纤维素离子凝胶器件展现出很好的生物相容性与组织器官兼容性前景。

图5基于图案化离子凝胶的器件应用验证与生物相容性研究

总结与展望

总之，开发了一种可扩展且高效的溶剂诱导剥离策略，通过调节活性物质与纤维素分子的组装行为来制造超薄器件。这种方法解决了传统方法在超薄器件制造中的局限性，尤其是机械性能、界面稳定性和电学性能之间的兼容性难题。所制备的器件厚度约为12.46 μm，具有6.5 MPa的高机械拉伸强度，出色的界面稳定性——能抵御水浸、高温和胶带剥离，以及卓越的电学性能，包括75.82 kPa⁻¹的高压力灵敏度和超过9.18 mS cm⁻¹的离子电导率。此外，利用纤维素离子凝胶的自愈特性和可定制图案设计能力，我们能够通过这种剥离技术制造出多种超薄器件，包括电子皮肤、神经网络和热电装置。这项工作可能为设计适用于柔性智能穿戴设备、医疗监测和人机交互的高性能超薄器件开辟一个新时代。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202516610

来源：高分子科学前沿

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