华中科技赵龙课题组最新《中国科学：化学》：共晶凝胶功能化应用研究进展综述！

深共晶溶剂（ DES）作为一种由氢键供体与氢键受体构成的新型绿色溶剂，凭借其制备简便、成本低廉及物化性质可调等突出优势，展现出广阔的应用前景。以DES为关键组分构筑的共晶凝胶，不仅继承了DES的优良特性，更融合了可拉伸性、高离子电导率、优异生物相容性及灵活的功能化设计能力，因而被视为有望替代传统离子凝胶的新一代功能材料。

近日，华中科技大学电气与电子工程学院赵龙教授团队在《中国科学：化学》期刊发表题为《共晶凝胶的构筑及功能化应用研究进展》的综述文章。该文系统梳理了功能化共晶凝胶的组成设计与构建策略，并重点评述了近年来该材料在三大前沿领域的研究与应用进展：（1）柔性电子器件中的多模态传感应用；（2）能源转化与存储系统中的凝胶电解质；（3）生物医学领域的药物递送及治疗应用。通过对上述创新性研究的系统总结与深入分析，该综述不仅为下一代可穿戴设备、仿生皮肤及软体机器人的研发提供了新型材料基础，也为绿色柔性功能材料的开发提供了重要的理论指导与技术支撑，具有显著的科学意义与应用价值。论文第一作者为华中科技大学博士研究生陈宇曦。该研究工作获得国家自然科学基金资助。

一、共晶凝胶的组成设计

导电相：DES的多样化发展

DES由氢键供体（羧酸、酰胺、醇类等）与氢键受体（主要为季铵盐）组成，目前已发展出五种类型：Ⅰ类（无水金属卤化物+有机盐）、Ⅱ类（水合金属卤化物+氯化胆碱）、Ⅲ类（氯化胆碱+醇/酰胺/碳水化合物）、Ⅳ类（金属卤化物+有机配体）及Ⅴ类（非离子型溶剂）。近年来，天然DES（NADES）、疏水DES（HDES）、治疗DES（THEDES）等新型体系的提出，进一步拓展了其在绿色化学、生物医药等领域的应用潜力。

图1 DES的组成与分类

基体框架：合成高分子与生物质高分子

共晶凝胶是一种新型功能材料，其由DES与高分子聚合物复合而成。共晶凝胶基体的构成可分为两类，其中合成高分子基包括：聚丙烯酰胺（PAAM）、聚丙烯酸（PAA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）以及水性聚氨酯（WPU）等，作为共晶凝胶的基体框架结构可以实现共晶凝胶在柔性电子领域的应用。

图2 (a) PAAM基共晶凝胶制备流程；(b) PAA基共晶凝胶制备实物图；(c) PVDF-HFP基共晶凝胶分子构成；(d) WPU基共晶凝胶制备与组成；(e) WPU、PAA、PAAM基共晶凝胶制备与组成

生物质基高分子框架：生物质作为全球储量最丰富的可再生资源，其显著优势在于分布广泛且种类繁多。以纤维素、壳聚糖、琼脂糖等为代表的天然高分子材料，凭借优异的生物相容性、环保性等特性，已成为开发绿色共晶凝胶体系的重要基础原料。

图3 (a) HPCS基共晶凝胶制备；(b) LCNF基共晶凝胶制备；(c) 木质素基DES凝胶电解质制备；(d) 纤维素基共晶凝胶制备；(e) CNC基共晶凝胶制备；(f)WS基共晶凝胶制备

二、共晶凝胶的构筑策略

当前共晶凝胶的建构主要采用三种路线：

策略一：DES作为溶剂相——将聚合物或聚合单体溶解于DES中形成凝胶。该方法简便易行，但需考虑原料与DES的相容性。典型体系包括PVA/DES/CNCs/g-C₃N₄凝胶、PNAGA基共晶凝胶等，其力学性能可通过DES浓度调控。

策略二：可聚合DES（PDES）——将聚合单体作为DES组分，原位引发聚合。2016年Isik等提出DES单体（DEMs）概念，后续研究发展了ChCl-AA二元DES光聚合体系，揭示了氢键相互作用对C=C双键活性的影响机制。

策略三：超分子自组装——基于可逆非共价键相互作用，小分子在DES中自主装形成凝胶。例如：硫辛酸在疏水DES中的开环聚合、鸟苷-H₃BO₃配合物在DES中的凝胶化等研究，为构建无水介质中的功能性超分子凝胶提供了新路径。该类材料具有优异的热稳定性、抗冻性及自修复性能，但机械强度相对较低。

图4 (a1) EG / ZnCl2为溶剂制备共晶凝胶；(a2) DES为溶剂制备PNAGA基共晶凝胶；(a3)ChCl / Gly为溶剂制备共晶凝胶；(b1) ChCl基可聚合DES制备共晶凝胶；(b2) ChCl / AA光引发聚合制备共晶凝胶；(b3) ChCl / AM热引发聚合制备共晶凝胶；(b4)可聚合氢键受体与Urea光引发聚合制备共晶凝胶；(c1) ChCl / M-DES自组装制备超分子共晶凝胶；(c2) DES / (PEDOT : PSS)作为3D打印油墨制备超分子共晶凝胶；(c3) ChCl / DBS自组装制备超分子共晶凝胶

三、性能调控策略

为拓展共晶凝胶在传感、能源存储、生物医学等领域的应用范围，按需对共晶凝胶进行功能化设计，通过物理、化学方法调控其组成、结构和性能，显著提升共晶凝胶的环境适应性、功能多样性和实际应用价值。目前主要的改性策略可分为以下两类：

物理改性法主要通过反复冻融、溶剂置换、蒸发诱导等手段，通过调控共晶凝胶内部的分子间作用力对凝胶三维网络结构的精准设计，最终实现材料机电性能的定向提升。

在共晶凝胶的改性策略中，化学改性法通过定向引入功能性基团或功能性单体，借助化学键合、接枝共聚等化学反应调控凝胶体系的化学组成与网络交联状态，重构凝胶的化学结构与分子作用机制，以此实现对共晶凝胶性的显著优化与提升。

四、关键性能优化

共晶凝胶的功能化设计，核心在于打破材料性能之间的传统权衡，实现多种特性的协同增强。通过精巧的组分设计，如引入特定氢键供/受体或功能性离子，可在提升其离子电导率的同时，构筑更为动态、稳定的三维网络，从而同步增强材料的机械强度与韧性。这种基于离子传输路径与分子间作用力的协同调控，进一步赋予了共晶凝胶卓越的自愈性能：受损的氢键网络可在外界刺激下可逆重组，实现结构与功能的自主恢复。此外，得益于DES本身良好的生物相容性基础，共晶凝胶可通过整合天然高分子或生物活性分子，在复杂生理环境中保持优异的细胞相容性与组织亲和力，甚至实现降解行为的精准调控。由此可见，共晶凝胶的独特价值，不仅在于其单一性能的优化，更在于它能够将高电导、高机械强度、自愈性及生物相容性等多重功能一体化集成，有望为柔性电子与生物医疗等领域开辟一条新的路径。

图5 (a1) PSDIC-gel 导电凝胶双离子通道；(a2) LA-DES凝胶增强导电性示意图；(b1) TA@CNC基共晶凝胶增强机械性能；(b2) PDES超柔性共晶凝胶；(c1) 咪唑基DES凝胶自修复过程；(c2) 磺化木质素基共晶凝胶制备及自修复过程；(d1) CTM-DES凝胶抗菌机制；(d2) 二元DES凝胶抗菌性与生物相容性；(d3) 锌离子基共晶凝胶抗菌性

五、功能化应用进展

（一）柔性传感材料

对于应变、压力等柔性传感器而言，其性能核心在于材料如何将机械形变高效转换为电信号。该过程本质上受制于材料的微观结构：外部拉伸通过延长离子传输路径与扰乱传导通道，直接影响电阻变化。因此，共晶凝胶在传感领域的优异机电性能，源于其精心的结构设计——高电导率与高回弹性的一体化构建，这正是实现高灵敏度、快速响应、宽工作范围与长耐久性的关键。近年来，通过构建具有优异抗疲劳性、一定的粘附性和高离子电导率的共晶凝胶已在医疗健康监测、可穿戴设备和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。

图6 (a) P(AA-co-LMA)基共晶凝胶用于低温下监测运动并传输加密信息；(b) PVA-PAA-PDA-DES 共晶凝胶与AI结合构建肩痛监测-光热治疗闭环系统；(c)共晶凝胶用于非接触式信息写入和传输、运动监测、无线通信和人机交互；(d) DLPD共晶凝胶用于应变、温度传感；(e)疏水性共晶凝胶用于水下运动监测；(f) poly NCMA / LiTFSI共晶凝胶用于应变、温度传感

（二）能源转化与储存

在能源转化领域，环保型深共晶溶剂（DES）因其低成本、优异的溶剂化能力、高离子电导率及宽温域适应性等综合优势，已被成功应用于热电材料与摩擦纳米发电机的构筑。热电材料基于Soret效应实现温差发电：在温度梯度驱动下，共晶凝胶内部的阴阳离子发生定向解离与迁移富集，阳离子向低温端移动，从而诱导产生热电势。摩擦纳米发电机则依托摩擦起电与静电感应的耦合机制，将机械能高效转换为电能。作为TENG的关键功能材料，共晶凝胶的离子电导率与机械柔性对其器件性能具有决定性影响。

图7 (a) CNF / DES 共晶凝胶用于热电转化；(b) CTM-DES共晶凝胶用于低温余热回收；(c)含水共晶凝胶作为离子热电池；(d) PDMS共晶凝胶用于机械能转化；(e)定向二维纳米片共晶凝胶用于TENG；(f) GLCL共晶凝胶制备为TENG

在能源储存方面，共晶凝胶可作为高性能相变材料用于热能存储。相较于传统水凝胶，其热性能优势显著，主要源于凝胶基质与DES协同赋予的高热稳定性。该类材料可在宽温度范围内维持结构完整性与功能稳定性，并具备多重因素调控的热响应特性，能够根据温度变化灵活调节其物理化学行为，从而拓展应用场景。当DES处于最低共熔点时，体系在相变过程中释放或吸收大量潜热，同时保持宏观形状不变。这种“固-液-胶”三相共存结构，兼具相变材料的高储热密度与凝胶的形状稳定性，有效规避了传统相变材料熔融后易泄漏的固有缺陷。对于电化学储能系统通常由电极材料、电解质和集流体构成。其中，电解质作为关键组分之一，需具备良好的电极相容性、高离子电导率及优异的热/电化学稳定性。相较于水凝胶，共晶凝胶展现出更宽的电化学窗口；与有机凝胶及传统离子液体相比，则具有更优的经济性与环境友好性。因此，近年来共晶凝胶被广泛研究作为固态电解质，用于构筑超级电容器和锌离子电池等电化学储能器件。凭借其宽电化学窗口、高离子电导率以及卓越的机械柔性，共晶凝胶完美契合高效能源器件对关键材料的核心要求，在构建下一代高安全、高性能的能量存储与转换系统中展现出显著优势。

图8 (a) 共晶凝胶用于相变储热[119]；(b) 共晶凝胶用于太阳能储存；(c) CNF基共晶凝胶用于电能储存；(d) PAM-PDA基共晶凝胶制备超级电容器；(e) PAA-DES作为FZAB电解质；(f) PVA-ZDES共晶凝胶作为电解质

（三）生物医学应用

共晶凝胶形成的三维网络结构可以限制药物分子的运动，减少药物分子与完结环境因素接触，此外DES的氢键供体与受体会与药物分子产生相互作用，可以固定药物分子的构象以保证药物分子活性的保持。DES与其他溶剂相比，可通过组分筛选增强其生物相容性、生物降解性和促渗透性，功能化共晶凝胶解决了传统药物递送系统在扩散性和渗透性方面的局限性，为药物递送、伤口敷料、炎症治疗等领域提供了新的治疗选择。

图9 (a) THEDES凝胶用于局部药物递送；(b) 酮洛芬负载到共晶凝胶用于载药研究；(c) 双网络共晶凝胶辅助电刺激疗法促进伤口愈合；（d） 共晶凝胶促进伤口愈合；(e) 锌基共晶凝胶促进伤口愈合；(f) DES-CS / GP用于牙周炎治疗；(g) 自组装共晶凝胶促进小分子药物渗透

六、挑战与展望

尽管共晶凝胶前景广阔，但仍面临三大挑战：

挑战一：电导率与机械性能之间的平衡难以实现。高交联密度虽增强结构稳定性，却会限制离子迁移。

挑战二：目前主要基于均匀块状结构构建，限制了协同性能的发挥。

挑战三：长期植入人体可能引发炎症反应，生物相容性与免疫响应问题需进一步探究。

未来研究方向包括：优化组分设计，深入解析多重相互作用机制；突破传统制备方法，引入3D打印、静电纺丝、辐射诱导聚合等先进技术；融合人工智能方法，借助机器学习实现性能预测与配方筛选。

从深共晶溶剂到共晶凝胶，从基础研究到应用探索，这一新兴功能材料正以其独特魅力吸引着越来越多研究者的目光。在柔性电子、能源存储、生物医学等前沿领域，共晶凝胶有望书写属于自己的精彩篇章。正如综述作者所言：“共晶凝胶的构建与功能化是深共晶溶剂工程化应用的关键环节。”我们期待看到更多创新成果从实验室走向应用，为人类生活带来更多便利与可能。