超强拉伸性能自修复水凝胶
水凝胶自愈合的原理
水凝胶自愈合的原理引言水凝胶是一种重要的材料，在许多领域中得到广泛应用。
然而，水凝胶在使用过程中容易受到损伤，影响其使用寿命和性能。
为了解决这一问题，科学家们研究出了一种自愈合的方法，使水凝胶能够在受损后自行修复，延长其使用寿命。
本文将深入探讨水凝胶自愈合的原理。
水凝胶的基本结构水凝胶是一种由高分子聚合物网络构成的材料，具有三维交联结构。
其网络结构中包含大量的孔隙，能够吸附大量的水分子。
水凝胶的基本结构决定了其具有弹性和可塑性的特性。
水凝胶的自愈合原理水凝胶的自愈合原理主要基于其网络结构和化学反应。
当水凝胶受到损伤，断裂面上的高分子链断裂，导致网络结构的破坏。
然而，由于水凝胶内部存在大量的水分子，这些水分子可以渗入损伤处，使断裂面上的高分子链表面形成水层。
自愈合过程自愈合过程可以分为三个阶段：扩散阶段、溶胀阶段和再交联阶段。
扩散阶段在损伤处形成的水层中，溶解有机物的小分子，如水和低分子量的聚合物。
这些小分子能够在水层中自由扩散，并填充断裂面上的空隙。
这一过程称为扩散阶段。
在扩散阶段中，断裂面上的高分子链表面得到了覆盖，形成了一层可溶解的溶胀层。
溶胀阶段在溶胀阶段，溶胀层中的小分子开始逐渐溶解，并扩散到断裂面上。
这些小分子能够与断裂面上的高分子链进行物理和化学的吸附，形成一个临时的连接。
溶胀过程中小分子与高分子链的吸附力逐渐增强，使得断裂面上的高分子链逐渐重新连接起来。
再交联阶段再交联阶段是自愈合过程的最后一个阶段。
在这个阶段中，断裂面上的高分子链之间发生交联反应，形成新的交联点。
这些新的交联点能够增强水凝胶的网络结构，使其恢复到原来的强度和形状。
这一阶段的交联反应可以通过热引发、光引发或化学引发等方式进行。
水凝胶自愈合的应用前景水凝胶自愈合的原理和机制为其在许多领域中的应用提供了新的可能性。
自愈合的水凝胶可以应用于医疗、环境、能源等领域，例如制备自愈合的人工皮肤、自愈合的环境传感器以及自愈合的电池。
水凝胶“人造皮肤”：可拉伸77倍、可自愈、可3D打印、灵敏度超高NSR
水凝胶“人造皮肤”：可拉伸77倍、可自愈、可3D打印、灵敏度超高NSR南京大学物理学院王炜教授和曹毅教授团队在凝胶基质中分散添加表面被多肽覆盖的石墨烯片，设计和制备了具有体相电容结的单层复合水凝胶，可用于构建具备多重传感模式的人造皮肤“SHARK”。
该凝胶材料具备出色的拉伸性能，自修复能力和可打印特性，在新一代柔性离子电子器件中有广泛的应用前景。
《国家科学评论》（National Science Review, NSR）近期发文报道了该成果。
具有超强延展性的SHARK，可拉伸77倍这种集超强拉伸性、自修复性和超高机械传感灵敏度于一身的单层水凝胶人造皮肤被命名为“SHARK”（single-layer hydrogel artificial skin）。
与传统的三明治电容传感器不同，SHARK可以被认为是由无数分散于凝胶基质中的微纳电容器组成的，这些微纳电容器分散但相互连接，类似于聚合物太阳能电池的结构，也与人体皮肤的传感机制也高度相似。
这种独特的层级设计使其具备极大的等效电容面积和超高的传感灵敏度，任何微小的机械刺激都可以很大程度改变其总体电容。
SHARK设计和传感原理SHARK的微观层级结构这种材料可以拉伸至7700%的应变并在0-2600%的形变范围内保持线性传感特性，并且可以在受损后迅速自修复，恢复其机械和电学特性。
SHARK的超强拉伸性能和延展性研究团队还展示了该种材料在手指传感，声波传感和水下传感方面的应用示例，证明了其在不同传感模式和场景下均具备可靠的传感和抗疲劳特性。
同时，由于其快速自修复特性，该种材料还可以直接进行3D打印，应用于复杂的传感芯片制备，打印精度达到200微米。
SHARK的自修复，重塑和3D打印该项研究的新颖设计能够极大地提高基于水凝胶材料的人造皮肤性能，在下一代可穿戴电子设备方面具有广泛的应用前景。
日本科学家开发出的超高强度水凝胶有何作用？
日本科学家开发出的超高强度水凝胶有何作用？日本北海道大学近日宣布，开发出了基于三嵌段共聚物(Triblock Copolymer)的超高强度水凝胶。
这种凝胶虽然含有大量水分，但却拥有可与橡胶匹敌的强度以及魔芋块100倍的硬度，此外还可轻松修复切割面，有望应用于包括体内使用在内的医疗用途。
水凝胶是以网眼状连接在一起的聚合物包含大量水分的构造，生物亲和性较高，作为医用材料备受期待。
但是，以前的水凝胶非常脆弱，实际用途只限于隐形眼镜等。
目前世界各地都在开发含有大量水分却具有高强度的水凝胶，已开发出了拓扑凝胶、纳米复合凝胶、双网络凝胶、聚两性电解质凝胶等。
此次通过在三嵌段共聚物构成的水凝胶中添加第二成分——聚丙烯酰胺，成功制作出了含有大量水分却具有高强度的新型高强度双网络凝胶。
据介绍，这种凝胶的强度比前面提到的4种高强度凝胶都要高。
三嵌段共聚物是由三种成分结合而成的带状分子，具有疏水性-亲水性-疏水性构造。
将这种共聚物放入水中，两端的疏水性部位就会形成网眼构造，从而获得块状水凝胶。
在这种凝胶的内部导入聚丙烯酰胺，三嵌段共聚物的亲水性部位与聚丙烯酰胺就会形成氢键，从而获得三嵌段共聚物/聚丙烯酰胺双网络凝胶。
北海道大学通过控制这两种物理键，成功获得了高强度水凝胶。
这种水凝胶的拉伸断裂应力为10MPa，抗拉能量为2850kJ/m2，拉伸弹性率为14MPa，显示出了出色的物性。
即便在凝胶上开一个孔，用其吊起一个重锤，开孔部位也不会被撕裂。
而且，即便大幅变形，断裂应变率达到600%(原长度的7倍)，也可保持应力的线性响应。
另外，为凝胶的断裂面涂布二甲基甲酰胺使其重新接触后，被破坏的键会自发性地重新形成，凝胶会再次粘在一起。
具有强韧自愈性能的纳米纤维素复合水凝胶制备和应用研究
具有强韧自愈性能的纳米纤维素复合水凝胶制备和应用研究摘要纳米纤维素复合水凝胶是目前研究的热点之一，在生物材料、生物医药及智能材料领域具有广泛的应用前景。
本文主要介绍了纳米纤维素复合水凝胶的制备、性能以及应用研究。
文章概括了现有的制备方法和制备参数对合成纳米纤维素复合了水凝胶的影响，着重介绍了生物可降解聚合物、无机建筑物质等的复合材料，以及复合后的性能表现。
文章还重点论述了纳米纤维素复合水凝胶在细胞材料、药物传递、组织工程、生物传感器和智能材料等领域的应用，并展示了其在这些领域所取得的研究成果。
关键词：纳米纤维素，水凝胶，复合材料，生物医药，智能材料AbstractNanocellulose composite hydrogel is one of the hotspotsin research field, which has a wide range of applications in biomaterials, biomedicine and intelligent materials. This article mainly introduces the preparation, properties and application research of nanocellulose composite hydrogel. The article summarizes the existing preparation methods and the influence of preparation parameters on the synthesis of nanocellulose composite hydrogel, focusing on the composite materials of biodegradable polymers, inorganic building materials, and the performance after composite. The article also focuses on the application of nanocellulose composite hydrogel in cell materials, drug delivery, tissue engineering, biosensors, and intelligent materials, and demonstrates the research results achieved in these fields.Keywords: Nanocellulose, Hydrogel, Composite Materials, Biomedicine, Intelligent MaterialsIntroduction纳米纤维素是由生物质转化而来的一种天然高分子材料，其结构特点包括长而细的纤维状微观形态、大比表面积、高度结晶度、高强度、低重量、分散性佳等特点。
拉伸后变得坚固的自增强凝胶~期待应用于能承受重复负荷的人工韧带等~
拉伸后变得坚固的自增强凝胶~期待应用于能承受重复负荷的人工韧带等~东京大学物性研究所新闻发布会“期待应用于拉伸后变得坚固的自我增强凝胶~能够承受重复负荷的人工韧带等。
”1 .主讲人: 真弓皓一(东京大学物性研究所附属中子科学研究设施副教授) 伊藤耕三(东京大学研究生院新领域创成科学研究科物质系专业教授)2 .发表要点: ◆开发了拉伸后变得坚固的自我增强凝胶。
如果拉伸材料施加较大的负荷，高分子链会因结晶而变硬，从而抑制凝胶的断裂。
◆即使承受较大的负荷，高分子链结晶化，去除力后也会立即恢复到原来的状态。
结果，成功地开发了兼具最高水平的韧性和即时恢复性的凝胶材料。
◆由于即使反复承受较大的负荷也能表现出一定的力学响应的特性，有望应用于人工韧带关节等人工运动器。
3 .发表概要: 东京大学物性研究所的真弓皓一准教授、东京大学研究生院新领域创建科学研究科的伊藤耕三教授等人开发了一种拉伸后会变得坚固的自我加强凝胶。
如果拉伸本凝胶施加较大的负荷，高分子链会因结晶而变硬，从而抑制凝胶的断裂。
结果表明，自增强凝胶具有世界最高水平的韧性。
另外，即使受到很大的负荷，高分子链一旦结晶化，除去力后也会立即恢复到原来的状态，由此表明了自增强凝胶除了强韧之外还显示出了优异的即时恢复性。
以往的高强度凝胶通过伴随变形的内部结构破坏来提高韧性，因此在反复变形下的恢复性方面存在难点。
自增强凝胶将成为世界上第一种兼具强韧性和即时恢复性的凝胶材料。
另外，高分子凝胶(注1 )以水为主要成分，因此适合应用于嵌入人体的生物材料。
由于自身增强凝胶即使反复承受较大的负荷也能表现出一定的力学响应，因此有望应用于人工韧带关节等人工运动器。
该成果于6月4日在线刊登在美国科学杂志Science 上。
4 .发表内容: 研究背景高分子凝胶是在由长绳状高分子链连接而成的网眼结构中封入水等溶剂而成的柔软材料的总称。
特别是以溶剂为水的水凝胶，由于具有很高的生物相容性，虽然被期待应用于植入人体的生物材料，但脆弱的力学强度成为了问题。
强、韧、快速恢复、抗疲劳水凝胶
强、韧、快速恢复、抗疲劳水凝胶受承重组织惊人的机械性能的启发，许多人致力于研究能够在密集的机械负荷下发挥作用的水凝胶，用于肌肉骨骼修复、软骨再生和软体机器人建造等应用。
用于增韧水凝胶的一个关键设计原则是利用牺牲键/网络来耗散能量，这可能依赖于疏水相互作用、离子对、氢键、配位相互作用、客体相互作用和微晶。
尽管这些分子工程方法能增强水凝胶的韧性，但往往不能加强水凝胶的强度，因为水凝胶和韧性是相互排斥的。
然而，要在同一合成水凝胶中实现高强度、高韧性、强大的抗疲劳性和快速恢复，仍然具有挑战性。
在此, 南京大学曹毅教授/王炜教授等人受生物网络结构的启发，提出了一种由Picot纤维组成的分层结构，该结构由通过灵活的隐藏长度相互连接的自组装金属离子包肽 β-链组成。
通过交联这些纤维，所得水凝胶表现出高机械强度(断裂应力~4.1 MPa)、超高韧性(断裂能~25.3 kJ m−2)、出色的抗疲劳性(疲劳阈值~424 J m−2)，以及一秒钟内几乎 100% 的机械恢复。
这种设计提供了在合成水凝胶中结合通常不相容的机械性能的一般途径。
【基于金属离子包覆Picot纤维的水凝胶设计】在此，提出了一种由Picot纤维构成的水凝胶网络，其中隐藏的长度和耗散能量的能力都集成在Picot纤维中。
Picot纤维是由长的柔性聚合物制成的，上面装饰有自组装肽。
在肽的自组装驱动下，肽之间的连接被压缩为Picot以隐藏长度。
Picot长度不同，肽之间的连接是随机的。
破坏强的肽间相互作用，如Picot纤维中的氢键，可以有效地耗散能量并释放出隐藏的长度，而不减少水凝胶的网络连接。
因此，这种设计解决了普通聚合物网络中强度和韧性的矛盾。
此外，单个Picot纤维的重组在局部独立发生，这确保了水凝胶结构的快速恢复。
从强壮而坚韧的贻贝纤维中获得灵感，使用贻贝脚蛋白Mfp-4的富含组氨酸的基序Gly-HisVal-His-Thr-His-Arg-Val-Leu-His-Lys(表示为GK11)，来构建Picot纤维。
超强拉伸性能自修复水凝胶.pptx
这一现象有利于理解和区别这两种不同的性能。
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除去SDS之后粘性增加但没有自修复能力
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有自修复能力பைடு நூலகம்
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感谢您的观看。
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水凝胶的自修复表征 3 min
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自修复原理
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谢谢
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粘性和自修复性的区别
粘性是材料与其他（包括自身）界面的粘结作用，是没 有针对性的，材料界面一直存在。
自修复性是材料从新与自身粘合的性质，在修复后，没 有明显界面存在。
由于粘性材料很容易与自身粘结在一起，所以长期以来， 很多人错把粘性认为是一种自修复性。
综合创新设计实验：自修复水凝胶的制备及性能测试
156 Univ.Chem. 2023, 38 (9), 156–162收稿：2022-10-04；录用：2023-01-16；网络发表：2023-01-31*通讯作者，Email:***********************•化学实验• doi: 10.3866/PKU.DXHX202210011 综合创新设计实验：自修复水凝胶的制备及性能测试顾瑶1，刘江晴2，刘晓亚2，罗静1,*1江南大学化学与材料工程学院，江苏 无锡 2141222江南大学合成与生物胶体教育部重点实验室，江苏无锡 214122摘要：可修复水凝胶的制备是当今科学研究的热门领域，它将有机化学、高分子化学、材料化学和仿生化学结合于一体，显示出进一步改编为本科教学实验的潜力。
本实验是基于琼脂糖/聚乙烯醇双网络的自修复水凝胶的制备及其自修复性能测试的新创综合实验。
实验生动有趣，在实验过程中学生可对水凝胶进行多种造型和设计，能激发学生学习化学的兴趣和热情，非常适用于本科教学实验。
水凝胶作为低成本、环境友好型材料，贴合绿色化学主题，也利于在实验教学中渗透可持续发展、环保等生态文明理念。
关键词：水凝胶；自修复；琼脂糖；聚乙烯醇；教学实验中图分类号：G64；O6Comprehensive Innovative Design Experiment: Preparation and Performance of Self-Healing HydrogelsYao Gu 1, Jiangqing Liu 2, Xiaoya Liu 2, Jing Luo 1,*1 School of Chemistry and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu Province, China.2 The Key Laboratory of Synthetic and Biological Colloids, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu Province, China.Abstract: The preparation of repairable hydrogels is an extensively researched multidisciplinary topic, incorporating organic chemistry, polymer chemistry, material chemistry, and biomimetic materials. Thus, it has tremendous potential for further adaptation in undergraduate teaching experiments. Herein, we propose a novel comprehensive experiment to study the preparation and self-healing performance of self-healing hydrogels based on an agarose/PVA dual network. The experiment is vivid and interesting. Students can shape and design the hydrogels in a variety of ways during the experiment, which can stimulate students’ interest and enthusiasm in learning chemistry. As a low-cost and environment-friendly material, hydrogels are also suitable for teaching the concepts of green chemistry, sustainable development, and environmental protection.Key Words: Hydrogel; Self-healing; Agarose; Polyvinyl alcohol; Teaching experiment水凝胶是含水量高达50%–80%的软物质，具有卓越的物理性能和生物相容性[1–3]，因此在许多领域得到广泛应用，例如隐形眼镜、药物输送以及作为皮肤、肌腱和软骨[4,5]的替代品。
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水凝胶是聚合物交联网络ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定水溶液而成的一种材料。 优点：良好的生物相容性和环境友好性能使其在可控释放、
节能抗污涂层、化妆品和生物医药等领域应用广泛。 缺点：高含水量使其机械性能较差。 目前提高其机械性能是一个热门的研究课题。
实验方案
UPyHCBA单体
表征
交联剂(UPyHCBA)用量对水凝胶机械性能的影响
表面活性剂的减少会增加材料粘性而降低其自修复性能； 增加表面活性剂能降低材料粘性而增加自修复性能。
这一现象有利于理解和区别这两种不同的性能。
除去SDS之后粘性增加但没有自修复能力
有自修复能力
水凝胶的自修复表征 3 min
自修复原理
谢谢
粘性和自修复性的区别
粘性是材料与其他（包括自身）界面的粘结作用，是没 有针对性的，材料界面一直存在。
自修复性是材料从新与自身粘合的性质，在修复后，没 有明显界面存在。
由于粘性材料很容易与自身粘结在一起，所以长期以来， 很多人错把粘性认为是一种自修复性。