超拉伸全纤维素水凝胶的突破性研究：制备、性能与应用

第一作者及机构
本研究的通讯作者为加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的Feng Jiang教授，第一作者为Yifan Zhang和Xia Sun（共同一作）。研究团队还包括Yuhang Ye、Hale Oguzlu等多名合作者。该成果于2024年5月发表在期刊《Materials Today》（第74卷，67-76页），标题为《All-cellulose hydrogel with ultrahigh stretchability exceeding 40000%》。

学术背景
本研究属于高分子材料与柔性电子交叉领域，聚焦于全纤维素水凝胶（all-cellulose hydrogel）的开发。纤维素作为自然界最丰富的可再生聚合物，具有生物可降解性、高机械强度和亲水性，但其刚性结构（由脱水葡萄糖单元环（anhydroglucose unit, AGU）和密集氢键网络导致）限制了其拉伸性能（传统全纤维素水凝胶拉伸率<250%）。近年来，纤维素基水凝胶的研究多依赖合成聚合物网络实现高拉伸性，但这类材料存在环境不可降解的问题。因此，本研究旨在通过分子结构设计，开发一种**超拉伸（>40000%）、自修复、可加工**的全纤维素水凝胶，并探索其在可穿戴传感器和生物电极中的应用价值。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料处理：以北方漂白软木牛皮纸浆（NBSK pulp）为原料，通过高碘酸钠（NaIO₄）氧化选择性断裂AGU环的C2-C3键，生成二醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC），随后用硼氢化钠（NaBH₄）还原为二醇纤维素纳米棒（dialcohol cellulose nanorods, DCNRs）。
- 水凝胶成型：将0.6 wt% DCNRs悬浮液通过真空过滤（0.45 μm尼龙膜）浓缩，形成物理交联的凝胶。关键创新在于通过AGU环开环反应将二级羟基转化为一级羟基，增强链柔性和氢键动态重构能力。

1. 表征与测试

   • 结构表征：紫外-可见光谱（UV-Vis）证实醛基消失（250 nm吸收峰）；傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示1730 cm⁻¹（C=O）和880 cm⁻¹（半缩醛键）峰消失；透射电镜（TEM）显示DCNRs为棒状结构（平均长度94.9 nm，宽度8.0 nm）。
     
   • 力学性能：拉伸测试显示水凝胶拉伸率高达44200%，模量随DCNRs含量增加（23.3 wt%时1.7 kPa，50 wt%时189 kPa）；自修复实验表明切口在60秒内完全愈合（效率≈100%）。
     
   • 流变学分析：频率扫描显示低频率下损耗模量（G”）>储能模量（G’），高频率下反之，证实非牛顿流体行为。
     

2. 应用验证

   • 纤维制备：拉伸水凝胶并干燥后获得柔性纤维素纤维（直径47 μm），拉伸强度达226 MPa，可承载100 g重量。
     
   • 传感器与电极：利用水凝胶的离子导电性（0.025 S/cm）开发应变传感器（响应应变0-300%）和心电图（ECG）电极，信号与商业电极相似度达99.9%。
     

主要结果与逻辑关联
1. 化学改性效果：X射线衍射（XRD）显示DCNRs结晶度从70.9%降至26.7%，证实AGU环开环破坏晶体结构，为超高拉伸性奠定基础。
2. 力学性能突破：动态氢键网络使水凝胶兼具高拉伸性和快速自修复性（图2g）。拉伸过程中，DCNRs沿拉伸方向取向（偏光显微镜证实），形成高强度纤维。
3. 应用性能：传感器电阻变化与应变线性相关（图4a），ECG电极可清晰捕捉P-QRS-T波形（图4e），验证其实际应用潜力。

结论与价值
1. 科学价值：首次通过AGU环开环和羟基转化策略，实现了全纤维素水凝胶的超拉伸性，揭示了动态氢键网络对材料性能的调控机制。
2. 应用价值：为可穿戴设备提供了一种全生物基、高性能材料解决方案，兼具环境友好性与多功能性（传感、电极、纤维加工）。

研究亮点
1. 记录性拉伸率：44200%的应变远超现有全纤维素水凝胶（<250%）。
2. 分子设计创新：通过一级羟基增强氢键动态性，避免化学交联剂的使用。
3. 多场景应用：同一材料可衍生为传感器、电极和纤维，展示卓越的加工适应性。

其他价值
研究团队开发的真空过滤成胶方法简单、可规模化，且保留了DCNRs悬浮液中的残余盐分（Na⁺、H₂PO₄⁻等），无需纯化即可实现离子导电性，降低了生产成本。此外，该水凝胶的非牛顿流体特性（图2a-b）为其在3D打印中的应用提供了可能（图S7）。

（注：文中所有实验数据均来自原文图表，补充材料可参考原文附录。）