石墨烯改性聚酯纤维制作过程（皮肤仿生策略制备纤维素增强抗菌凝胶作为应变传感器）

原创Wang YR 抗菌科技圈

第一作者：Junyu Jiana, Yitong Xie

通讯作者：Daihui Zhang

通讯单位：Chinese Academy of Forestry

研究速览：

随着穿戴设备的发展，制造用于传感器应用的强韧、抗菌和导电水凝胶是至关重要的，但具有挑战性。在此，本文提出了一种结合原位还原的皮肤仿生策略。其中，纤维素自组装生成纤维素骨架是实现仿生结构设计的关键。通过加热过程很容易在骨架上原位生成银纳米粒子，该工艺不仅为水凝胶提供了优异的抗菌性能，而且由于消除了银纳米粒子聚集的负面影响，还提高了水凝胶的力学性能。最高抗拉强度和韧性分别达到2.0 MPa和11.95 MJ/m3。作为应变传感器，其检测范围(高达1300%)和灵敏度(应变灵敏度因数= 4.4)很高。因此，本研究为制备具有强韧性和功能性的水凝胶提供了新的研究方向。

要点分析：

要点一： 本文提出了一种结合原位还原的皮肤仿生策略，以制备强韧、抗菌和导电的水凝胶。纤维素自组装生成纤维素骨架和弹性聚丙烯酰胺分别模拟皮肤中的胶原纤维和弹性聚合物，是实现仿生结构设计的关键。

要点二： 在不添加催化剂的情况下，通过加热过程很容易在骨架上原位生成和装载银纳米粒子，该工艺为制备的水凝胶提供了抗菌性能。仿生抗菌水凝胶在拉伸强度和韧性方面表现出显著的高力学性能。本文研究了抗菌和导电水凝胶作为应变传感器来监测人类行为，观察到高检测范围和灵敏度。

图文导读

图1.（a）皮肤仿生结构；（b）仿生策略与原位还原结合的示意图。

图2.（a）还原硝酸银前后纤维素骨架的照片和SEM分析，以及40℃还原10h后纤维素骨架的SEM-EDS图像；（b）硝酸银在40℃还原10 h后纤维素水凝胶的XPS；（c）不同温度下还原硝酸银后纤维素骨架（对照）和纤维素骨架的XRD曲线；(d)纤维素骨架(对照)和纤维素骨架分别在40℃(24 h)和80℃(12 h)还原硝酸银后的拉曼光谱（e）氧化还原过程的潜在机理。

图3.（a）C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的扭曲、拉伸和打结；（b）纤维素水凝胶和C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的拉曼光谱；（c）聚丙烯酰胺、纤维素和C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的FT-IR光谱；（d）C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的SEM-EDS；（e）C-nano Ag和C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的XRD分析。

图4.（a）有或无负载银纳米颗粒纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸试验；（b） 水凝胶的计算韧性；（c）在不同温度下制备的C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的拉伸试验；（d）计算了不同温度下制备的C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的韧性；（e）在150%应变下C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的循环试验；（f）通过循环试验计算了C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的韧性、耗散能和弹性回复率。

图5.（a）C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶在不同应变的循环试验下的（R-R0）/R0；（b）在不同应变下循环5次的C-nano Ag//PAM-Na3cit水凝胶的（R-R0）/R0；（c）C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的规范因子（GF）。（D）C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶在150%应变下300次循环稳定性试验；（e）C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶与其他水凝胶在应力、韧性、规范因子、电导率、抗菌性能和生物基成分利用方面的比较。

图6.（a）和（b）用于实时监测手指弯曲不同角度的C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的相对电阻变化 ；（c）手腕反复弯曲/伸直；（d）（e）（f）用于实时监测肘关节和步行活动的C-nano Ag/PAM-Na3cit水凝胶的相对电阻变化。

图7.（a）C-nano Ag/PAM-Na3cit和C/PAM水凝胶的DSC曲线；（b）温度低于零度，应变为200%时C-nanoAg/PAM-Na3cit水凝胶的（R-R0）/R0；（c）培养24小时后，C-nano Ag /PAM-Na3cit、纤维素和纤维素-纳米银水凝胶对大肠杆菌的抑制环（mm）；（d）不同还原条件下，纤维素纳米银和C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶的抑制区。

结论

最近，水凝胶因其在组织工程、柔性传感器和可穿戴设备领域的广泛应用而受到越来越多的关注。然而，传统水凝胶的力学性能较差，缺乏同时实现实质性强化和增韧所需的结构复杂性，出于健康考虑和实际应用，还需要考虑其功能性，尤其是抗菌性和导电性。因此，合成强韧、抗菌和导电的水凝胶是必要的，本文提出了一种结合原位还原的皮肤仿生策略。

1、一种新的皮肤仿生策略，结合原位还原，制备出了强韧、抗菌和导电的纤维素增强水凝胶。原位还原过程为仿生水凝胶提供了抗菌性能，消除了银纳米粒子聚集问题对其力学性能的负面影响。

2、C-nano Ag /PAM-Na3cit水凝胶表现出优异的抗菌和抗游离性能。同时，合成的水凝胶具有高电导率、优异的灵敏度和高传感范围，显示了其作为应变传感器的潜在应用。

全文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02518

参考文献：Junyu Jiana,, Yitong Xiea, Shishuai Gao, Yu Sun, Chenhuan Lai, Jifu Wang, Chunpeng Wang, Fuxiang Chua, Daihui Zhanga*. A skin-inspired biomimetic strategy to fabricate cellulose enhanced antibacterial hydrogels as strain sensors. Carbohydrate Polymers. 2022.

投稿kangjunkejiquan@163.com