东华大学郭建生教授AM：两性离子超分子低共熔凝胶无需引发剂！

　　连年来，凝胶资料在柔性离子电子学、自供电传感器与人机交互范围揭示出广宽前景。特别是离子凝胶和低共熔凝胶，因其非挥发性溶剂、优异热稳定性和高离子导电性，成为智能传感与柔性离子器件的研究抢手。然而，现有合成方法多依赖于激发剂、交联剂或高能耗工艺，不单引入平安危害与杂质，也带来情况负担。若安在免除引发剂与交联剂的同时实现倏地凝胶化，成为斥地生物相容、可连续超分子凝胶的要害搬弄。

　　近日，东华大学郭建生传授、新加坡国立大学李正国教授、Zhang Zixuan合作提出了一种全新的超分子路易斯酸-碱凝胶化策略，成功实现了无需激发剂与交联剂的两性离子凝胶倏地合成。该方式受人体皮肤结构与离子庞大性启发，通过尿素与两性离子单体之间的强氢键传染感动驱动盲目聚合，在胆碱氯化物-尿素低共熔溶剂中建立了仿生离子-氢键动态网络。所制备的两性离子超分子低共熔凝胶具备可调的力学机能、极高的离子电导率、动态可重构性、自粘附性与可采取性，为下一代柔性离子电子学与仿生人机界面供给了可连续、多功效的材料平台。Advanced Materials上。

　　图1体系阐释了这一凝胶化策略的全体设想理念与仿生灵感来源。与保守依赖热或紫外线激发聚合的离子凝胶分歧，本研究通过路易斯酸-碱彼此感化摸发凝胶化，仅需氢键供体与可聚合两性离子氢键受体即可实现。其打算仿照了皮肤的多级结构，通过多重轮回双氢键域与离子-偶极互相传染感动，建立出兼具粘弹性与离子传输本事的仿生收集。该凝胶展示出机电解耦、极度温度耐受、自粘附、抗菌、生物相容及可收受接管平分析优异性能，为制作可用于应变、温度及心理信号监测的穿着式传感界面奠基了根本。

　　图1. 无激发剂两性离子凝胶的通用策略及仿生ZSE的合成与传感设想概念。 a) 保守与本文出格的聚合离子凝胶合成方式示企图。 b) PDES先驱体溶液中的通用凝胶化计谋及其化学组分，包含DES、PZHBA和PHBD成分。 c) 拥有多重循环双氢键域（受体(A)、供体(D)）及涉及离子-偶极和偶极-偶极彼此传染感动的结构彼此感化的仿生物理超分子低共熔凝胶。分袂为氢键簇和跨膜通道的仿生打算。 d) 展现ZSE代表性特性的暗示图，包含机电解耦、自粘附、极度温度耐受、抗菌和生物相容性以及可采取性。 e) 基于此仿生概念及其周全机能，由ZSE制作的可切换传感界面可实现人机之间的消息交互。它能够通过应变、温度或生理信号等传感方式实现体表的多模态监测和机械手的实时节制。

　　图2深切揭示了凝胶构成的路易斯酸-碱感化机制。流变监测注释凝胶化历程受温度与浓度调控。光谱阐发与理论策画证实，尿素作为氢键供体加强了MPC极性侧链的路易斯酸性，构成电荷转移复合物，促使自在基生成并激发自聚合。电子顺磁共振谱验证了单体自在基核心体的具有。该机制拥有普适性，多种两性离子单体及氢键供体均可顺利凝胶化，彰显了该计谋的普遍适用性。

　　图2. 两性离子低共熔系统的路易斯酸-碱凝胶化机制。 a) MPC在DES（25 wt%）中凝胶化的流变监测。储能模量（G’）和耗损模量（G’’）弯线的交点标识表记标帜取凝胶点。 b) MPC单体和–1600、1360–1220和860–800 cm⁻¹规模内的ATR-FTIR光谱。 c) MPC单体和MPC@DES的拉曼光谱。 d) PC、尿素及PC&Urea的¹H NMR谱。 e) PC&ChCl和PC&Urea的DFT优化布局及静电势表面。 f) 提出的MPC在氢键供体（尿素）感化下的活化机制。 g) 加合物在80°C下反应20分钟的EPR谱。三个双峰代表单体自在基的信号。 h) 在Gly和HMImCl华夏位拉曼光谱赶踪MPC聚合过程两性。 i) 由SBMA、CBMA、SBAA两性、SBVI和SBVP单体衍生的纯两性离子凝胶照片及其化学布局（比例尺：1厘米）。 j) 凝胶化后超分子离子/氢键互相传染感动的机理暗示图。 k) 利用替代两性离子单体SBVP或DES（ChCl&Gly）聚合的凝胶的流变性能（浓度：25 wt%）。

　　图3片面展现了仿生凝胶的底子机能与机电特征。变温红外光谱与二维相遮光谱分解了氢键收集随温度的动态重构。凝胶显显露高通明度、优良的情况不变性与抗冻机能。通过调理单体的比例，可实现力学性能（强度、模量、韧性）与离子电导率的协同调控。分子动力学模仿揭示了氯离子通过两性离子阳离子通道的腾跃迁徙机制，阐释了高离子电导率的来历。与以往报道的材料比拟，该凝胶在力学强度与离子电导率的分析机能上拥有较着优势。

　　图3. 仿生ZSE的底子机能与机电表征。 a) ZSE在60至95°C加热历程中（隔绝距离5°C）的变温FTIR光谱。 b) ZSE和ZS水凝胶的P2p谱。 c) 不同DES含量的共聚物凝胶的透光率遮线 wt%共聚物含量的低共熔凝胶照片）。 d) 两性离子低共熔凝胶和水凝胶在环境前提下（室温，40% RH）随时候的分量变化。 e) 拉伸应力-应变宿线和 f) 不同摩尔比下含30 wt%单体含量的ZSE的杨氏模量/韧性比力。 g) 分歧单体摩尔比（NAGA:MPC，30 wt%固含量）的ZSE的EIS奈奎斯特图。 h) ZSE在180 ps时的代表性分子动力学仿照快照。 i) 解离的Cl⁻离子在PNAGA和P(NAGA-co-MPC)低共熔凝胶中的均方位移掩线。 j) 两性离子低共熔凝胶中离子迁徙机制示企图，凸起Cl⁻通过─N+(CH₃)₃基团的腾跃。 k) 离子电导率和拉伸强度与先前报道的凝胶/弹性体的面积对比图。 l) 类皮肤两性离子低共熔凝胶与非水凝胶系统在可穿戴离子电子传感中的离子电导率比较。

　　图4展现了凝胶纤维的连续制备及其柔性传感性能。通过同轴湿法纺丝-热反映策略，可范畴化出产拥有高机器强度与导电性的凝胶纤维。该纤维弹性回复率高，可轮回操纵。基于其电阻随应变变化的特征，制备的应变传感器具备高活络度、倏地响应与恢复威力，且在低温情况下工作不变，可集成于纺织品中实现手势识别甚至莫尔斯电码通信。

　　图4. ZSEF的持续制备及其柔性传感性能。 a) 用于出产ZSEF的同轴湿法纺丝工艺示企图。ZSEF长丝照片：b) 环绕纠缠在收集辊上（比例尺：1.5厘米），c) 在100%应变下拉伸/规复（比例尺：1厘米），d) 承载200克分量（比例尺：3厘米），以及 e) ZSEF的SEM图像（比例尺：500微米）。 f) 在100%应变下、不分歧待时候的轮回拉伸加载-卸载弯线。 g) ZSEF在分歧应变下的弹性答复率。 h) ZSEF在拉伸（0–100%）和恢复历程中的偏振光学显微镜图像（330 nm滤光片，方位角45°和-45°）（比例尺：1微米）。 i) 通过水介导的溶胶-凝胶再加工采取的ZSEF（比例尺：1厘米）。 j) ZSEF传感器的应变火速度（0–100%）和 k) 相应/恢复时候（20%应变）。 l) 拉伸历程中（速率：50 mm min⁻¹）同步的应变-电信号相应。 m) 在10–50%应变下的相对电阻变化（拉伸速率：50 mm min⁻¹）。 n) 在零下情况（-20°C）中握拳/抓紧时，ZSEF传感器的轴向和横向电阻变化，以及交叉嵌入ZSEF的各向同性应变传感手套和手势照片。 o) “DHU”、“SOS”和“HELP”消息的莫尔斯电码输出。

　　图5建立了基于凝胶贴片的生理信号监测与人机交互界面。凝胶贴片对各类资料（包含皮肤）表示出强粘附性，并具备优良的生物相容性与抗菌性。作为表皮电极，其与皮肤的兵戈阻抗低于商用Ag/AgCl电极，能够大概高品质、不变地收罗心电与肌电信号。操纵获取的肌电信号，顺利实现了对机器手步履与LED灯开关的及时节制，展现了其在可穿戴生物离子电子学与先辈人机交互中的使用潜力。

　　图5. ZSEP的建立及其作为心理信号监测和人机交互界面电极的使用。 a) 基于ZSEP的生理监测等效电路模子（电极平台：Rd: 电荷转移电阻，Cd: 双电层电容，Rcg: ZSE电阻；皮肤平台：Re: 表皮电阻，Ce: 表皮电容，Rsub: 真皮/皮下电阻）（比例尺：0.5厘米）。 b) ZSEP粘附在铜、铝、不锈钢和人体皮肤上的照片，以及在多毛手腕皮肤上不同追追角度下的粘附和剥离性能（比例尺：0.5厘米）。 c) ZSEP对不同基材的剥离力-位移跑线°剥离测试安装）。 d) ZSEP与基材间粘附机制的暗示图。 e) 用ZSEP提取物处置的成纤维细胞的活/死细胞染色测定。 f) ZSEP生物传感器的要害组件及信号收罗/节制工作流程。 g) ZSEP与商用Ag/AgCl凝胶电极的界面阻抗谱比力。 h) 由ZSEP电极记实的代表性ECG信号（插图：三电极在人体上的放置示企图）。 i) ZSEP和商用Ag/AgCl凝胶电极在人体皮肤上间歇佩戴72小时后收罗的ECG信号。 j) 不同握力下的EMG信号（插图：手握和释放握力器的照片；比例尺：4厘米）。 k) 由ZSEP和商用电极得到的EMG信号及频谱分解图。 l) ZSEP电极收罗的EMG信号通过MCU驱动机器手步履和LED灯胆开关，实时EMG图像信号表此刻屏幕上（比例尺：4厘米）。

　　综上所述，这项钻研斥地了一种无需激发剂与交联剂的盲目聚合低共熔溶剂系统，成功创作发明出兼具机械弹性与高离子导电性的仿生软资料。通过氢键微区与离子-偶极彼此感化的协同，该资料实现了对人体皮肤动态特性的仿照，并展示出在可穿着传感、生理监测及柔性机器人等范畴的普遍使用近景。这项事情为制作多功效离子凝胶供给了一个可持续、可规模化的合成平台，无力鞭策了柔性电子手艺与生物仿生学的融合与成长。