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共晶凝胶:现状与前景

期刊:applied materials todayDOI:10.1016/j.apmt.2024.102342

类型b:

作者及机构
本文由南京邮电大学(Nanjing University of Posts & Telecommunications, NJUPT)的Siqi Sun、Lei Yu、Junchen Teng、Yuzhe Gu、Yuncong Pang、Xiuwen Xu、Wei Wang和Yang Li共同完成,发表于Applied Materials Today期刊(2024年7月25日在线发表)。Wei Wang和Yang Li为通讯作者。

主题
该综述论文题为“Eutectic Gels: Presentation and Prospect”,系统总结了共晶凝胶(eutectic gels)的制备方法、性能参数、结构分类及其在生物电子学等领域的应用,并展望了未来发展方向。

主要观点及论据

  1. 共晶凝胶的定义与制备原理
    共晶凝胶是一种基于低共熔溶剂(deep eutectic solvents, DESs)的新型软材料,由氢键受体(HBA,如胆碱氯化物)和氢键供体(HBD,如尿素、甘油)组成。DESs通过降低混合物的熔点(通常低于100°C),在室温下形成液态溶剂,进而用于凝胶合成。共晶凝胶的制备方法主要分为三类:
  • Eutectic gels-S:以DES替代水作为溶剂,溶解聚合物单体形成凝胶,如聚乙烯醇(PVA)在胆碱氯化物/尿素DES中形成的凝胶(图3a)。
  • Eutectic gels-P:单体直接作为DES的组成部分,通过聚合反应形成凝胶,如丙烯酸与胆碱氯化物共聚的凝胶(图3c)。
  • 超分子共晶凝胶(Supramolecular eutectic gels):通过非共价键自组装形成,如鸟苷与硼酸在DES中形成的螺旋结构凝胶(图3e)。
  1. 共晶凝胶的性能参数
    论文详细阐述了共晶凝胶的四大关键性能指标:
  • 电导率(Electrical property):通过交流阻抗谱(Nyquist图)测定,离子浓度和迁移率是主要影响因素(图2a)。例如,含ZnCl₂的凝胶在高温下电导率显著提升。
  • 机械性能(Mechanical property):通过应力-应变曲线评估,包括杨氏模量(Young’s modulus)、断裂强度和韧性(图2b)。例如,聚乙烯醇基凝胶的拉伸强度可达2.55 MPa。
  • 粘附性(Adhesion performance):采用搭接剪切测试量化,优异的粘附性使其适用于可穿戴传感器(图2c)。
  • 稳定性(Stability):通过失水率测试评估,DES的低挥发性赋予凝胶长期稳定性(图2d)。
  1. 应用领域
    共晶凝胶在以下领域展现出重要潜力:
  • 医疗领域
    • 药物递送(Drug delivery):如胆碱/香叶酸酯(CAGE)凝胶可穿透皮肤递送药物(图4a-c)。
    • 伤口敷料(Skin dressing):含多巴胺的DES凝胶具有抗菌和促愈合功能(图5d-e)。
    • 健康监测(Health monitoring):导电凝胶用于心电图(ECG)信号采集(图7b-c)。
  • 食品与环保
    • 食品保鲜涂层:天然DES与树胶结合的凝胶可延长食品保质期。
    • 有毒物质吸附:磁性Fe₃O₄凝胶用于乳制品中三聚氰胺的吸附。
  • 传感器
    • 压力传感器:疏水共晶凝胶可实现水下信号检测(图6a-c)。
    • 温湿度传感器:ZnCl₂基凝胶对呼吸湿度变化敏感(图6g-i)。
  1. 挑战与未来方向
    尽管共晶凝胶具有低成本、高生物相容性等优势,但仍面临以下挑战:
  • 化学响应性开发:需设计智能响应凝胶以拓展应用场景。
  • 可持续材料:探索绿色单体(如聚乳酸)替代有毒聚合物。
  • 极端环境稳定性:开发无水凝胶以应对超低温或水下环境。

论文价值
该综述首次系统梳理了共晶凝胶在生物电子学中的应用,为柔性电子器件、医疗设备和环境工程提供了材料设计指南。其亮点在于:
1. 全面性:涵盖制备方法、性能参数及多领域应用,填补了该领域综述的空白。
2. 前瞻性:指出共晶凝胶与4D智能材料结合的可能性,如光致变色器件。
3. 跨学科意义:为化学、材料科学和生物医学的交叉研究提供参考。

其他有价值内容
- 文中列举了大量实验数据(如凝胶电导率、机械强度)和案例(如水下传感器、癌症治疗凝胶),为读者提供了具体参考。
- 强调DESs的“绿色溶剂”属性,符合可持续发展趋势。

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