类型a：原创性研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为郑州大学材料科学与工程学院的Yanyu Yang（邮箱：yyyang@zzu.edu.cn），第一作者为Zhiyuan Qiao和Ying Chen，合作作者包括Hongyu Pan、Jichang Li、Qingkai Meng、Jianfeng Wang、Yanxia Cao及Wanjie Wang。研究成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》2024年第282卷，论文标题为《Environment-tolerant, inherently conductive and self-adhesive gelatin-based supramolecular eutectogel for flexible sensor》，在线发表于2024年11月2日，DOI号为10.1016/j.ijbiomac.2024.137219。

学术背景
水凝胶（hydrogels）因其机械柔性、导电性和生物相容性在柔性电子器件领域备受关注，但其低粘附性和较差的环境适应性（如高温脱水、低温冻结）限制了实际应用。传统改进方法依赖复杂的分子工程设计或后处理浸泡（如多元醇或盐溶液），但忽略了聚合物网络与分散介质（dispersion media）的相互作用对性能的影响。本研究提出了一种基于天然大分子（natural macromolecules）明胶（gelatin）和深共晶溶剂（deep eutectic solvent, DES）的“超分子-聚合物双网络”（supramolecular-polymer double-network, SP-DN）共晶凝胶（eutectogel），通过多重超分子相互作用（氢键、静电作用等）实现了高粘附性、环境耐受性和导电性，为柔性传感器提供了新材料。

研究流程
1. 材料设计与制备
- 深共晶溶剂（DES）合成：以甘油（glycerol, GL）为氢键供体（HBD）、氯化钙（CaCl₂）为氢键受体（HBA），按不同比例（CaCl₂浓度x=0.05, 0.10, 0.20 mol/L）混合加热至85°C，形成透明均质的GL-CaCl₂-x DES。
- 共晶凝胶制备：采用“一锅法”（one-pot method），将明胶（1-10 wt%）、丙烯酰胺（AM）、交联剂（MBA）和光引发剂（Irgacure 2959）溶于DES中，冷却后通过紫外辐射引发聚合，形成明胶/聚丙烯酰胺（gelatin/PAM）SP-DN共晶凝胶。明胶网络通过Ca²⁺与羧基（COO⁻）的静电作用及甘油与氨基/羧基的氢键构建，PAM网络则为共价交联。

1. 表征与性能测试
   
   • 化学结构分析：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了明胶与DES间的氢键（羟基峰蓝移至3281 cm⁻¹）及Ca²⁺与羧基的静电作用（羧基峰移至2879 cm⁻¹）。
     
   • 力学性能：拉伸测试显示SP-DN共晶凝胶的断裂强度达330 kPa，断裂应变1070%；压缩测试显示90%应变下应力为7.7 MPa，且具有快速形状恢复能力。循环加载-卸载曲线表明其能量耗散能力显著（滞后环面积394.96 kJ/m³）。
     
   • 粘附性能：通过原位（in-situ）和非原位（ex-situ）粘附测试，共晶凝胶对多种基材（金属、陶瓷、玻璃、PTFE等）的粘附强度分别达最高3252.4 kPa（-40°C）和208.2 kPa（室温），并可在水下快速粘合（170 kPa）。
     
   • 环境耐受性：差示扫描量热法（DSC）显示共晶凝胶在-60°C仍无冻结峰；80°C下2.5小时仅轻微失重（对比水凝胶完全脱水）。
     
   • 传感性能：基于离子电导率（0.04 mS/cm）的传感器可检测应变（0-500%）、压力（0-1750 kPa）及温度（-40-80°C），应变灵敏度（GF）最高达6.43，压力灵敏度在低压区达87.10 kPa⁻¹。
     

主要结果
1. 力学与粘附机制：双网络结构（明胶物理网络+PAM共价网络）与DES的多重超分子作用协同提升了能量耗散能力；极性基团（羧基、氨基等）与基材的氢键/静电作用赋予其普适粘附性。
2. 环境适应性：DES的低凝固点和高沸点使共晶凝胶在极端温度下保持柔性（-40°C拉伸强度1.8 MPa，60°C断裂应变2980%）。
3. 多模态传感：传感器可实时监测人体运动（手指弯曲、吞咽等）及温度变化（电阻温度系数TCR=-5.27%°C⁻¹），且在100次循环中信号稳定。

结论与价值
本研究通过DES与天然大分子的超分子设计，开发了一种兼具高粘附性、环境耐受性和导电性的共晶凝胶，解决了传统水凝胶在极端环境和界面稳定性上的瓶颈。其科学价值在于揭示了聚合物网络与分散介质的相互作用对凝胶性能的调控机制；应用价值体现在柔性电子（如可穿戴传感器、人机交互）和健康监测（如低温环境下的生理信号检测）领域的潜力。

研究亮点
1. 创新材料设计：首次将明胶与DES结合构建超分子网络，固体含量低至1 wt%，突破了天然大分子在DES中溶解性差的限制。
2. 多功能集成：单一材料同时实现高力学强度、自粘附、耐候性和多模态传感。
3. 极端环境应用：-40°C下的粘附强度（3.3 MPa）为现有粘附凝胶的最高值之一，水下修复能力具有实际意义。

其他价值
该研究为天然大分子基凝胶材料的开发提供了新思路，未来可拓展至生物医学（如组织工程）或能源存储（如柔性电池电解质）领域。