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技術(shù)文章

有“生命”的材料——自愈合水凝膠

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在自然界中,生物體具有自我修復(fù)的能力。例如,當(dāng)我們的皮膚被割傷時(shí),它會(huì)自動(dòng)愈合。而在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,研究人員也希望能創(chuàng)造出具有“自愈"能力的材料,來(lái)模擬這一自然過(guò)程。自愈合材料,尤其是自愈合水凝膠,正逐漸成為新材料科學(xué)的重要前沿。它不僅能應(yīng)對(duì)機(jī)械損傷,還能夠恢復(fù)其功能,極大地拓寬了其在醫(yī)療、電子、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。今天我們就來(lái)了解一下究竟什么是自愈合水凝膠?它的原理又是怎樣的?


??創(chuàng)傷愈合過(guò)程(圖片來(lái)源:[1])


什么是自愈合水凝膠?


水凝膠是一類含有大量水分的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料,它能夠吸水膨脹,并在水中保持其穩(wěn)定形態(tài)。這些材料通常由天然或合成的高分子物質(zhì)構(gòu)成,因其優(yōu)異的生物兼容性、柔軟性以及良好的吸水性,在醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。自愈合水凝膠,則是在傳統(tǒng)水凝膠的基礎(chǔ)上,通過(guò)特殊設(shè)計(jì),使其具備在遭受損傷后能夠具備自我修復(fù)的能力。


??自愈合水凝膠(圖片來(lái)源:[6])


自愈合水凝膠的修復(fù)機(jī)制通常包括兩類:一種是化學(xué)修復(fù)機(jī)制,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)修復(fù)損傷;另一種是物理修復(fù)機(jī)制,通過(guò)物理作用(如氫鍵、范德華力等)恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)。不同的自愈合水凝膠材料,其自愈合的速度、修復(fù)的效果以及適用的環(huán)境條件都有所不同。


自愈合水凝膠的工作原理


自愈合水凝膠的修復(fù)原理涉及到多個(gè)方面。首先,許多自愈合水凝膠采用了動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵(如氫鍵、離子鍵等)作為其結(jié)構(gòu)維系力,這些鍵能夠在外力作用下發(fā)生斷裂,但在某些特定條件下(如加熱、光照、化學(xué)反應(yīng)等)又能夠迅速重新形成,恢復(fù)其原有的結(jié)構(gòu)。


??基于動(dòng)態(tài)亞胺共價(jià)鍵的自愈合機(jī)理圖(圖片來(lái)源:[4])


例如,一些自愈合水凝膠中包含有可逆的化學(xué)鍵,如酯鍵、二硫鍵等。這些鍵能夠在受到損傷時(shí)斷裂,但在合適的條件下,這些鍵會(huì)自動(dòng)重新結(jié)合,修復(fù)損傷部位。還有一些水凝膠通過(guò)分子鏈間的相互作用,如氫鍵、離子交換等,使得材料具有“記憶"功能,在受損后能夠自動(dòng)恢復(fù)原狀。


??自愈水凝膠成膠機(jī)制示意圖(圖片來(lái)源:[7])


此外,還有一種新型的自愈合水凝膠利用水合作用進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)水凝膠的表面受損時(shí),水分的重新分布能夠幫助材料恢復(fù)其結(jié)構(gòu)。這種修復(fù)機(jī)制通常是在水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀損傷時(shí)發(fā)揮作用,修復(fù)速度較快,適用于一些較為柔軟的材料。


自愈合水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域


01


醫(yī)療領(lǐng)域


自愈合水凝膠在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,尤其是在創(chuàng)傷修復(fù)和藥物遞送系統(tǒng)中,表現(xiàn)出了巨大的潛力。在傷口愈合方面,自愈合水凝膠能夠在人體創(chuàng)傷處快速修復(fù),減輕患者的痛苦并加速傷口愈合。比如,研發(fā)人員已經(jīng)成功將自愈合水凝膠應(yīng)用于創(chuàng)可貼、傷口敷料等產(chǎn)品中。這些水凝膠不僅能夠吸濕,還可以緩慢釋放藥物,促進(jìn)組織的再生。


??動(dòng)態(tài)抗菌水凝膠的制備及應(yīng)用示意圖(圖片來(lái)源:[5])


02


柔性電子領(lǐng)域


自愈合水凝膠還被廣泛應(yīng)用于柔性電子設(shè)備的研發(fā)中。柔性電子設(shè)備要求材料能夠在彎曲、拉伸、壓縮等條件下保持性能。自愈合水凝膠由于其良好的彈性和自愈能力,已被用來(lái)制造柔性傳感器、可穿戴設(shè)備等。這些設(shè)備可以在遭受外力損傷后,快速自我修復(fù),恢復(fù)功能,大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。


??自愈合水凝膠在生物傳感器的應(yīng)用(圖片來(lái)源:[2])


03


環(huán)保與能源領(lǐng)域


自愈合水凝膠在環(huán)境保護(hù)和能源領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。例如,研究人員正在嘗試將其用于電池和超級(jí)電容器的制造。自愈合功能可以使電池在遭受微小損傷時(shí)自動(dòng)修復(fù),從而提高電池的使用壽命和安全性。此外,自愈合水凝膠也能夠被應(yīng)用于水處理和污染物捕捉等領(lǐng)域,用于去除水中的有害物質(zhì)。


??全低共熔凝膠軟電池(AESB)的設(shè)計(jì)構(gòu)筑(圖片來(lái)源:[3])


04


材料科學(xué)領(lǐng)域


在智能材料的設(shè)計(jì)上,自愈合水凝膠的應(yīng)用將是一個(gè)革命性的突破。這些水凝膠可以被用來(lái)制造具有自修復(fù)能力的智能表面、傳感器以及其他高性能材料。例如,一些自愈合水凝膠可以在機(jī)械磨損、裂紋或疲勞損傷后恢復(fù)原狀,提高材料的耐用性和穩(wěn)定性。





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