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文献信息
题目：Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable
Properties for Tactile Sensing
具有触觉感应可编程特性的生物启发柔性凝胶
期刊：Advanced Materials
IF：27.4
DOI：10.1002/adma.202401678
日期：28 April 2024
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作者信息
第一作者：Yunxiao Wang
通讯作者：Peng Xiu, Dingyi Pan, Kai Tao
通讯单位：浙江大学
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主要内容
触觉传感需要具有分布式、高灵敏度触觉传感能力和生物相容性的集成检测平台，旨在复制人体皮肤的生理功能，使工业机器人和假肢佩戴者能够检测触觉信息。在这方面，基于短肽的自组装水凝胶在开发具有生物相容性和生物可降解性的触觉传感器方面具有很好的潜力，可以作为生物启发的超分子基质。然而，其固有的难以调节的力学性能严重制约了其广泛应用。本研究通过引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）来控制9-芴基甲氧羰基改性二苯丙氨酸（Fmoc-FF）的自组装，通过将成熟的较薄纳米纤维解扭获得更宽的纳米带，并且超分子水凝胶的力学性能可以提高10倍，为触觉传感提供了仿生超分子封装基板。此外，通过掺杂聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）和9-芴基甲氧羰基改性3,4-二羟基-苯基丙氨酸（Fmoc-DOPA），Fmoc-FF自组装水凝胶可以被设计成导电和粘接，为触觉传感应用提供仿生传感单元和粘接层。因此，这些模块的整合产生了基于肽凝胶的触觉传感器，具有高灵敏度和可持续的响应，具有内在的生物相容性和可生物降解性。该研究结果确立了开发具有可调特征的可编程肽自组装用于触觉传感应用的可行性。
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结果与讨论
依赖PEGDA700的Fmoc-FF自组装
a)在不同体积比例PEGDA700存在下，Fmoc-FF自组装的TEM图像显示。b)由Fmoc-FF在𝜒PEGDA700 = 7.5%(v)下自组装的左旋纳米螺旋的TEM图像。右图中的插页显示了纳米螺旋的高倍TEM图像。c)依赖PEGDA700的Fmoc-FF自组装示意图。d)根据Arrhenius方程计算不同𝜒PEGDA700下Fmoc-FF的水解活化能。e)共溶剂PEGDA700诱导Fmoc-FF自组装体系结构转变的粗粒度MD模拟。
fc-DN水凝胶的循环加卸载试验及原位SAXS分析
a,b)AcAG/PAAm fc-DN水凝胶的循环拉伸应力-应变曲线。c)计算不同菌株下fc-DN凝胶和f-DN凝胶的Herman取向因子f。d,e) fc-DN凝胶(d)和f-DN凝胶(e)的二维SAXS图和相应的拟合方位扫描曲线。
fc-DN水凝胶增韧机理示意图
f-DN水凝胶(a)和fc-DN水凝胶(b)在增加菌株下的示意图。
与f-DN水凝胶相比，fc-DN水凝胶作为承载
组件具有改进的性能
a) AG/PAAm f-DN水凝胶与AcAG/PAAm fc-DN水凝胶穿刺时的比较。b) AG/PAAm f-DN水凝胶与AcAG/PAAm fc-DN水凝胶作为自由落体着陆器承重部件的比较。
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总结
我们报道了一种新的增韧策略，以fc-DN为基础制备强韧的水凝胶。fc-DN由分子卷曲的PAAm网络与AcAG纤维网络化学交联组成，形成相互连接的互穿网络。所得的AcAG/PAAm fc-DN水凝胶与AG/PAAm f-DN水凝胶相比，强度（8 MPa）和韧性（55 MJ m-3著提高。由于纳米纤维和分子网络之间的化学交联，在经历10的高拉伸应变后，水凝胶也表现出低残余应变（0.5），与报道的坚韧水凝胶相比，这是一个显著的特性。与没有网络间化学交联的传统fDN水凝胶相比，原位SAXS测量证实，fc-DN水凝胶网络之间的共价键导致两个网络之间的界面强度更强，并且在应变下琼脂糖纤维排列程度更高。与c-DN水凝胶相比，纤维琼脂糖网络由于琼脂糖链的拔出而具有更高的能量耗散，并且由于原纤维的排列而具有更高的强度。优异的机械性能通过软装置得到证明，其中fc-DN水凝胶作为穿刺或冲击下的承重部件。fc-DN设计策略为制造具有高机械强度、韧性和低塑性变形的水凝胶提供了新的途径，在软机器人、人造皮肤和生物电子学方面具有巨大的应用潜力。
