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注：文末有本文科研思路分析
可拉伸水凝膠離子導體由於其與生物組織的相似性及多功能性，在仿生皮膚傳感領域有著廣泛的應用前景。目前報道的導電水凝膠傳感器主要基於宏觀薄膜形態，這不僅限制了其響應性和靈敏度，也阻礙它們在更多樣化場景中的應用。將水凝膠微型化可帶來水凝膠高度的適應性和可定製性，也是提高水凝膠響應靈敏度的有效方法。其中，水凝膠微纖維是微型化水凝膠的典型例子，然而，目前製備兼具可紡性和力學強度良好的無塗層且保水的導電水凝膠微纖維仍面臨巨大挑戰。
東華大學武培怡教授/孫勝童研究員團隊前期曾報道了一系列導電水凝膠和彈性體材料用以模擬生物皮膚和肌肉組織的力學、傳感和刺激響應特性（Adv. Mater., 2017, 29, 1700321; Nat. Commun., 2018, 9, 1134）；實現了對具有相同共聚單體結構的水凝膠相變行為從UCST（Upper Critical Solution Temperature）到LCST（Lower Critical Solution Temperature）的調節（ACS Nano,
2018, 12, 12860-12868）；模仿神經肌肉，實現了行為致動與感知反饋的雙重效果（Mater. Horiz., 2019, 6, 538-545）；優化了本徵可拉伸導體材料的力學性能以及對液體分子的感知功能等（Nat. Commun., 2019, 10, 3429）；採用高強度可拉伸的3D打印彈性水凝膠用於修復創傷性腦損傷（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1904450）；利用具有粘彈性和離子傳導特性的食物—拉麵製造出一種可再生和可重構的智能皮膚（Adv. Funct. Mater., 2019, 1908018）等。近期，針對水凝膠微纖維在脫水與導電性、可紡性與纖維強度之間的權衡問題，該研究團隊提出了一種基於鐵-檸檬酸氧化還原化學助力的連續拉伸紡絲工藝，利用丙烯酰胺/丙烯酸鈉共聚物(P(AAm-co-AA))的水/甘油混合溶液製備出可拉伸、抗凍且保水的智能導電水凝膠微纖維網。
水凝膠微纖維網製作過程如下圖所示。乾燥後的P(AAm-co-AA)/Fe(III)水凝膠微纖維呈圓柱形，斷裂面致密均勻。通過改變注射器擠出速度和收集器轉速，水凝膠微纖維的直徑可實現從30到120 μm的精細調節。垂直於纖維軸的非對稱二維SAXS圖案和尖銳的方位角（FWHM≈6.5°）表明水凝膠纖維具有良好的鏈取向。
圖1. 拉伸紡絲法制備P(AAm-co-AA)水凝膠微纖維網的示意圖及纖維的形貌結構和尺寸調節圖
水凝膠微纖維通過Fe(III)與羧酸基團的動態配位可有效耗散能量，因此具有高彈性和良好的循環拉伸性能。甘油的存在使纖維還具有良好的抗凍性，在-40 ℃的環境中，依然保持較好的彈性。
圖2. 水凝膠微纖維的力學性能和抗凍性。
在不同溼度環境中，纖維具有不同含水量的同時表現出不同的力學性能。此外，紫外光可使Fe(III)被檸檬酸還原成Fe(II)，因此紫外光對纖維的力學性能也具有明顯影響。
圖3. 環境溼度和紫外光可調節纖維的力學性能。
與許多其他含離子的水凝膠相似，P(AAm-co-PAA)/Fe(III)水凝膠微纖維具有良好的導電性。水凝膠微纖維網對環境溼度和紫外光具有靈敏的刺激響應，同時還能應用於應變傳感器。
圖4. 水凝膠微纖維對溼度和紫外光的刺激響應性以及在應變傳感方面的應用。
相關工作近期發表在 Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是東華大學碩士研究生鞠敏。
Redox-Active Iron-Citrate Complex Regulated Robust Coating-Free Hydrogel Microfiber Net with High Environmental Tolerance and Sensitivity
Min Ju, Baohu Wu, Shengtong Sun,* Peiyi Wu*
Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1910387, DOI: 10.1002/adfm.201910387
導師介紹
武培怡課題組主頁
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科研思路分析
Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？
A：這項研究最初就是為了製備一種具有彈性的導電水凝膠微纖維。如上所述，目前報道的可拉伸水凝膠離子導體主要基於宏觀薄膜形態，這一形態不僅不利於進一步提高電學響應靈敏度，在更多樣化場景中也應用有限。因此，我們考慮利用簡單的拉伸紡絲方法將水凝膠離子導體做成纖維狀水凝膠，有望同時提高可拉伸水凝膠離子導體的適應性、可定製性以及靈敏度。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：問題一是防止水凝膠纖維脫水，使纖維具有導電性。拉伸紡絲是通過水分揮發形成纖維的，如果水分過度揮發會導致凝膠纖維脫水而喪失離子導電性。我們通過向紡絲原液添加甘油使這一問題得到了有效解決。問題二是兼顧紡絲原液的紡絲性和最終纖維的彈性及力學強度。凝膠紡絲一般需要可流動的溶膠前驅體，而水作為強塑化劑會大大降低最終纖維的強度。受鐵膽墨水蘊含的鐵離子氧化還原化學啟發，我們利用鐵-檸檬酸氧化還原化學輔助紡絲過程，巧妙地解決了這一難題。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：這項研究基於鐵-檸檬酸氧化還原化學輔助的連續拉伸紡絲工藝製備出一種抗凍、無塗層且保水的彈性導電水凝膠微纖維網，且水凝膠微纖維的力學性能受環境溼度和紫外光調節，使其對外界環境刺激也具有智能響應性。這一拉伸紡絲方法有望擴展到其他傳感或驅動型的智能水凝膠微纖維的製備。
