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近日，北京理工大學綠色生物制造團隊在離子液體改性水凝膠方面取得新進展，相關成果以“Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains”為題發表于國際頂級期刊 Chemical Engineering Journal ，文章第一作者為北京理工大學生命學院2022級博士生肖文哲，通訊作者為閻繼鵬副教授和孫劍教授。

作為一種結構可設計的綠色溶劑，離子液體（ionic liquids, ILs）在制備和改性功能材料方面具有顯著優勢?；贗Ls微環境的設計及其過程強化機制方面的長期積累，團隊近年來在ILs制備和改性功能材料（如凝膠材料、生物基材料、光電材料等）方面取得了系列研究進展（圖1）。例如，ILs在調控離子凝膠結構和性能方面發揮的獨特作用，為設計高性能離子凝膠提供了新機遇（ Adv. Funct. Mater. , 2022, 32, 202203988, ESI高被引論文）；中空聚合IL微球（PIL-x）可通過其陰離子種類調控和強化光生電子儲備和傳輸行為，使得改性后的g-C₃N₄具有優異的可見光響應和產氫性能，為進一步提高有機半導體光活性提供了新思路（ Chem. Eng. J. , 2022, 440, 135625）；低成本質子型ILs可實現木質素在無鹵素、溫和條件下的高效脫甲基化制備木質素多酚，對生物質高值化利用及多酚工業發展提供了新路線（ Chem. Eng. J. , 2022, 443, 136486）；ILs在有機框架材料合成、功能和應用中的強化作用，為發展和應用多孔有機功能材料提供了新策略（ Coord. Chem. Rev. , 2023, 493, 215304）；最后，晶體原位組裝過程中ILs可優化晶體生長并有效降低晶體阱密度，制備的自清潔MAPbI₃單晶具有優異的光探測功能（可見-紅外光譜中的比探測率為2.83 × 10¹² Jones，X射線探測中靈敏度為7.24 × 10⁴μC Gy_air^?1 cm^?2），該工作為高質量鈣鈦礦單晶的研發提供了一種新技術（ Adv. Funct. Mater. , 2024, 34, 2314237）。

圖1. 基于離子液體制備和改性功能材料的系列工作

基于前期研究基礎，團隊進一步提出了“動態兩親離子域（DAID）”的設計策略，采用具有兩親性結構的可聚合IL單體，與丙烯酰胺單體共聚，合成了兼具高應變（1200-2390%）、強韌性（5-15 MJ ^-3）、優異電導率（0.13-0.2 mS cm^-1）和高抗裂紋擴展能力的功能凝膠（圖2）。在凝膠的三維聚合物網絡中，ILs的結構域提高了聚合物的內聚強度；同時，ILs陽離子的長疏水烷基鏈作為物理交聯點提供了良好的疏水結合以增強力學性能。因此，DAID的引入可使聚丙烯酰胺親水鏈在大變形過程中逐漸展開。

圖2. 基于DAID策略的功能凝膠制備和應用示意圖

¹H核磁共振和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等手段表明不同單體間（即，丙烯酰胺與ILs）存在強相互作用（圖3a和b）。當ILs濃度高于臨界膠束濃度時，通過非共價相互作用可自組裝形成膠束（圖3c）。圖3d進一步證實了丙烯酰胺和ILs膠束由于相互作用而發生聚集，從而形成了尺寸更大的混合單體體系。最終，DAID的引入使凝膠呈現出致密的網絡結構（圖3e）。

圖3. DAID-水凝膠相互作用和結構形態表征

隨著延伸率增加，聚合物致密骨架網絡結構中的孔相應地沿著拉伸方向擴展（圖4a-c）。拉伸過程中同時伴隨干涉色出現（圖4d和e），表明拉伸后聚合物骨架向各向異性轉變。此外，聚合物鏈間平均間距變短（圖4f），表明聚合物中分子鏈彼此靠近，取向度增加。由于DAID-水凝膠骨架可均勻變形，因此實現了良好的高應變性能（圖4g）。同時，聚合物網絡定向排列有效耗散了能量以承受外力，從而增強了凝膠韌性。

圖4. DAID-水凝膠的結構和增韌機制

該凝膠為人體多方位健康監測提供了高靈敏的基礎材料，其對人體的實時監測情況如圖5所示。以呼吸監測為例，可將凝膠貼片置于胸腹部位（圖5f），期間通過應變感應反饋信號以精確觀察呼吸頻率。不僅如此，凝膠貼片可根據需求貼于相關部位并進行運動實時監測，如大幅度的手指彎曲（圖5a）、肘部彎曲（圖5b）、跑步運動（圖5c）等和小幅度的按壓、吞咽和呼吸等（圖5d-f）。此外，含有缺口的凝膠仍可靈敏檢測彎腰、跑步和深蹲等運動而不斷裂（圖5g-i）?？傊?，DAID的設計策略為調控凝膠聚合物網絡提供了指導，并為非接觸醫用設備的研發奠定了一定的材料基礎。

圖5. DAID-水凝膠應用于實時監測人體運動

論文詳情：Wenzhe Xiao, Ting He, Wanting Zhao, Wenjin Li, Yichen Liu, Cheng Li, Qizhen Luo, Weidong Zhao, Jipeng Yan,* Jian Sun*, Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains.  Chem. Eng. J. , 2024, 494, 153136.

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153136

附團隊簡介：

綠色生物制造團隊圍繞國家“雙碳”和生命大健康重大需求，注重化學、生物、化工、材料等多學科交叉融合，開展融合功能介質調控和綠碳清潔轉化的應用基礎研究，具體方向包括功能化離子液體設計及其微環境作用調控；生物基化學品（如生物燃料、醫藥分子等）和功能材料（如纖維、薄膜等）綠色合成；光動力抗菌和污染物消解，酶固定化及仿生酶工程，柔性可穿戴傳感器件及發光器件構建等。