近日，北京理工大学绿色生物制造团队在离子液体改性水凝胶方面取得新进展，相关成果以“Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains”为题发表于国际顶级期刊 Chemical Engineering Journal ，文章第一作者为北京理工大学生命学院2022级博士生肖文哲，通讯作者为阎继鹏副教授和孙剑教授。

作为一种结构可设计的绿色溶剂，离子液体（ionic liquids, ILs）在制备和改性功能材料方面具有显著优势。基于ILs微环境的设计及其过程强化机制方面的长期积累，团队近年来在ILs制备和改性功能材料（如凝胶材料、生物基材料、光电材料等）方面取得了系列研究进展（图1）。例如，ILs在调控离子凝胶结构和性能方面发挥的独特作用，为设计高性能离子凝胶提供了新机遇（ Adv. Funct. Mater. , 2022, 32, 202203988, ESI高被引论文）；中空聚合IL微球（PIL-x）可通过其阴离子种类调控和强化光生电子储备和传输行为，使得改性后的g-C₃N₄具有优异的可见光响应和产氢性能，为进一步提高有机半导体光活性提供了新思路（ Chem. Eng. J. , 2022, 440, 135625）；低成本质子型ILs可实现木质素在无卤素、温和条件下的高效脱甲基化制备木质素多酚，对生物质高值化利用及多酚工业发展提供了新路线（ Chem. Eng. J. , 2022, 443, 136486）；ILs在有机框架材料合成、功能和应用中的强化作用，为发展和应用多孔有机功能材料提供了新策略（ Coord. Chem. Rev. , 2023, 493, 215304）；最后，晶体原位组装过程中ILs可优化晶体生长并有效降低晶体阱密度，制备的自清洁MAPbI₃单晶具有优异的光探测功能（可见-红外光谱中的比探测率为2.83 × 10¹² Jones，X射线探测中灵敏度为7.24 × 10⁴µC Gy_air⁻¹ cm⁻²），该工作为高质量钙钛矿单晶的研发提供了一种新技术（ Adv. Funct. Mater. , 2024, 34, 2314237）。

图1. 基于离子液体制备和改性功能材料的系列工作

基于前期研究基础，团队进一步提出了“动态两亲离子域（DAID）”的设计策略，采用具有两亲性结构的可聚合IL单体，与丙烯酰胺单体共聚，合成了兼具高应变（1200-2390%）、强韧性（5-15 MJ ^-3）、优异电导率（0.13-0.2 mS cm^-1）和高抗裂纹扩展能力的功能凝胶（图2）。在凝胶的三维聚合物网络中，ILs的结构域提高了聚合物的内聚强度；同时，ILs阳离子的长疏水烷基链作为物理交联点提供了良好的疏水结合以增强力学性能。因此，DAID的引入可使聚丙烯酰胺亲水链在大变形过程中逐渐展开。

图2. 基于DAID策略的功能凝胶制备和应用示意图

¹H核磁共振和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段表明不同单体间（即，丙烯酰胺与ILs）存在强相互作用（图3a和b）。当ILs浓度高于临界胶束浓度时，通过非共价相互作用可自组装形成胶束（图3c）。图3d进一步证实了丙烯酰胺和ILs胶束由于相互作用而发生聚集，从而形成了尺寸更大的混合单体体系。最终，DAID的引入使凝胶呈现出致密的网络结构（图3e）。

图3. DAID-水凝胶相互作用和结构形态表征

随着延伸率增加，聚合物致密骨架网络结构中的孔相应地沿着拉伸方向扩展（图4a-c）。拉伸过程中同时伴随干涉色出现（图4d和e），表明拉伸后聚合物骨架向各向异性转变。此外，聚合物链间平均间距变短（图4f），表明聚合物中分子链彼此靠近，取向度增加。由于DAID-水凝胶骨架可均匀变形，因此实现了良好的高应变性能（图4g）。同时，聚合物网络定向排列有效耗散了能量以承受外力，从而增强了凝胶韧性。

图4. DAID-水凝胶的结构和增韧机制

该凝胶为人体多方位健康监测提供了高灵敏的基础材料，其对人体的实时监测情况如图5所示。以呼吸监测为例，可将凝胶贴片置于胸腹部位（图5f），期间通过应变感应反馈信号以精确观察呼吸频率。不仅如此，凝胶贴片可根据需求贴于相关部位并进行运动实时监测，如大幅度的手指弯曲（图5a）、肘部弯曲（图5b）、跑步运动（图5c）等和小幅度的按压、吞咽和呼吸等（图5d-f）。此外，含有缺口的凝胶仍可灵敏检测弯腰、跑步和深蹲等运动而不断裂（图5g-i）。总之，DAID的设计策略为调控凝胶聚合物网络提供了指导，并为非接触医用设备的研发奠定了一定的材料基础。

图5. DAID-水凝胶应用于实时监测人体运动

论文详情：Wenzhe Xiao, Ting He, Wanting Zhao, Wenjin Li, Yichen Liu, Cheng Li, Qizhen Luo, Weidong Zhao, Jipeng Yan,* Jian Sun*, Robust and tunable hydrogels strengthened by dynamic amphiphilic ionic domains.  Chem. Eng. J. , 2024, 494, 153136.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153136

附团队简介：

绿色生物制造团队围绕国家“双碳”和生命大健康重大需求，注重化学、生物、化工、材料等多学科交叉融合，开展融合功能介质调控和绿碳清洁转化的应用基础研究，具体方向包括功能化离子液体设计及其微环境作用调控；生物基化学品（如生物燃料、医药分子等）和功能材料（如纤维、薄膜等）绿色合成；光动力抗菌和污染物消解，酶固定化及仿生酶工程，柔性可穿戴传感器件及发光器件构建等。