基于丝胶蛋白的超分子共晶凝胶：一种多功能柔性传感器材料的研究报告
作者及发表信息
本研究由浙江理工大学材料科学与工程学院的Mengxiao Yang、Zheng Cao、Xiaoxue Qiu、Yinpeng Zhou、Lin Liu*、Wudi Yang和Juming Yao*共同完成，发表于ChemistrySelect期刊（2025年，第10卷，文章编号e02258）。
学术背景
本研究属于柔性电子材料与传感器领域，聚焦于解决传统离子导电凝胶（ionic conductive hydrogels）在实际应用中面临的三大核心问题：
1. 环境稳定性不足：传统水凝胶在低温下易冻结、高温下易失水，导致机械性能与电信号稳定性下降；
2. 功能单一性：现有凝胶难以同时兼顾高机械强度、自修复性、粘附性和宽温域稳定性；
3. 生物相容性与成本问题：离子液体（ionic liquids）虽能提升稳定性，但存在毒性高、合成复杂等缺陷。
研究团队提出以丝胶蛋白（silk sericin, SS）和低共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）为基础，通过光聚合一步法构建超分子共晶凝胶（supramolecular eutectogels），旨在开发一种兼具机械鲁棒性、环境耐受性、自修复性和高灵敏度的新型柔性传感器材料。
研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 原料：氯化胆碱（choline chloride, ChCl）、丙烯酸（acrylic acid, AA）、丝胶蛋白（SS）、光引发剂Irgacure 2959。
- 步骤：
- DES制备：将ChCl与AA以摩尔比1:2混合，90℃搅拌40分钟形成均相低共熔溶剂；
- SS整合：将SS（0–0.6 wt%）加入DES溶液，搅拌20分钟至完全溶解；
- 光聚合：加入光引发剂后，紫外光（365 nm, 41 mW/cm²）照射40秒，形成PDEs-SS共晶凝胶。
- 创新点：无需化学交联剂，通过SS的─COOH、─NH₂和─OH基团与聚丙烯酸（PAA）及Ch⁺/Cl⁻离子动态键合，构建可逆超分子网络。
2. 结构表征
- FT-IR分析：证实SS与PAA间氢键形成（─OH峰从3384 cm⁻¹移至3361 cm⁻¹），酰胺III带（1242 cm⁻¹）强度随SS含量增加而升高；
- SEM观察：SS含量从0增至0.6 wt%时，冻干凝胶孔径从21 μm缩小至10 μm，表明交联密度提升；
- 溶胀测试：SS含量0.4 wt%时，溶胀率显著降低，说明网络结构更致密。
3. 性能测试
- 机械性能：
- 拉伸强度：SS含量0.4 wt%时达4.02 MPa（较无SS样品提升1.9倍）；
- 断裂伸长率：1703%，韧性3.76 MJ/m³；
- 循环加载：10次100%应变循环后能量损耗稳定，证明动态键的可逆性。
- 自修复性能：
- 室温下48小时修复效率达83%，60℃下提升至87%；
- 切割后电阻实时恢复，5次循环后信号稳定性无衰减。
- 粘附性：
- 对金属（Fe）、塑料（PTFE）、皮肤等基材的粘附强度为0.07–1.53 MPa；
- 宽温域（-40°C–60°C）下粘附性能稳定。
- 环境稳定性：
- DSC显示-40°C无结晶峰，证实抗冻性；
- 极端温度下机械性能保持率>90%。
- 传感性能：
- 应变灵敏度（GF值）：4.23（0–400%）、8.42（650–925%）；
- 响应时间60 ms，恢复时间40 ms；
- 可监测手指弯曲（0–90°）、吞咽及语音信号（如“hydrogel”）。
主要结果与逻辑关联
- SS含量优化：0.4 wt%时机械性能与电导率（0.22 mS/cm）达最佳平衡，过量SS导致交联过密、电导率下降。
- 动态网络机制：氢键、离子键和静电相互作用协同赋予材料自修复性和环境稳定性。
- 传感应用验证：宽应变范围（5–200%）和温度耐受性使其适用于可穿戴设备。
研究结论与价值
- 科学价值：
- 提出了一种基于天然生物大分子的超分子凝胶设计范式；
- 阐明了动态键合网络与多功能性的构效关系。
- 应用价值：
- 为柔性电子皮肤（e-skin）、生物医学监测设备提供了高性能材料解决方案；
- 低成本、绿色工艺适合规模化生产。
研究亮点
- 材料创新：首次将丝胶蛋白与DES结合，实现93%透光率和4.02 MPa拉伸强度的协同优化；
- 方法学创新：一步光聚合法简化制备流程，避免有毒交联剂；
- 性能突破：在-40°C–60°C范围内同时保持机械、电学及粘附性能，远超同类文献报道（如Zhou et al.的DESCI凝胶仅耐受-10°C–50°C）。
其他价值
- 生物相容性：CCK-8实验显示72小时细胞存活率>108%，优于空白对照组；
- 多模态传感：可同时检测应变、压力（感知限51.24 mPa）及生理信号，具备临床转化潜力。
本研究通过跨学科策略，为下一代柔性传感器材料开发提供了理论和实践基础。