凝胶类薄膜

在物联网时代，智能可重写显示体系的发展有助于缓解日益增长的一次性电子垃圾所引起的环境污染和资源消耗问题，有望成为信息显示和传递的重要媒介。近年来科研人员开发了多种刺激响应颜色变化材料体系用于可逆信息书写。然而，基于化学物质刺激响应体系（例如水、离子、酸碱、尿素溶液等）通常会产生化学油墨残留/堆积，严重削弱其可重写性和响应灵敏性。依赖于无刺激残留的高能量紫外光和短波长可见光响应体系主要依靠调控特定分子化学结构转变实现信息载入，往往受限于复杂的化学结构设计和较慢的光响应动力学。因此，如何通过新型材料结构与显示机制的设计，开发一种集远程控制、快速响应、多色和多模式显示功能于一体的智能可重写显示系统仍然是巨大的挑战。　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛、路伟长期从事荧光高分子水凝胶的仿生构筑及其功能与智能调控研究。近期，受到变色龙皮下组织中不同色素细胞有序排列多层结构及其高效协同能力的启发，报道了一种近红外激光触发的可重写多色水凝胶体系，其兼具光书写和光投影的特点，不仅可以实现任意信息的瞬态光写入/自擦除/光重写，还可以实现既定多色图案的可持续光投影显示。该系统具有垂直排列多层结构，包括作为光热控制层的聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装二维碳纳米管（CNTs）薄膜和作为显示层的嵌入式荧光高分子水凝胶层。在水凝胶层中温敏性内芯荧光水凝胶被限制在非响应性外壳荧光水凝胶中，用于更好地实现稳定、可逆和多色的信息载入。这种仿生多层的结构设计有效通过“光触发-热量产生-荧光输出”的级联过程，建立了一种具有前景的信息显示机制。近红外激光可以作为“笔”进行远程书写，这一过程中，CNTs层首先发生光热转换，并将热量传递给凝胶层诱导温敏性内芯水凝胶形成氢键动态交联网络，并产生亲疏水相转变，进一步降低其中镧系配合物的水溶剂化程度，使得内芯水凝胶荧光增加，从而改变内芯与外壳层的叠加色，产生明显的颜色变化，实现信息的及时书写（约为5s）。移除光源，温敏性内芯水凝胶解除分子链内部氢键交联，回到亲水状态使得荧光得以恢复，所书写信息在36s后完全自擦除并可重新写入新的信息。此外，多级层状结构的设计使得光热控制层CNTs薄膜和荧光水凝胶显示层易于图案化，在近红外激光面光源的投射下可以显示预先设计的多色图案。这种功能集成的显示能力不仅有助于满足各种信息的不同显示或传输的需求，而且利于实现更好的视觉信息可视化和交互体验感，并为未来新型光书写体系的发展奠定了基础。 　　相关成果以Light-Writing & Projecting Multicolor Fluorescent Hydrogels for On-Demand Information Display为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目的支持。具有仿生多层结构的可光书写荧光高分子水凝胶显示系统

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张珽团队在《纳微快报》（Nano-Micro Letters）上发表最新研究成果。该研究开发了一种新策略，通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中，从而实现同时具有超薄结构和优异力学性能的复合水凝胶薄膜（ 5 μm）的构建。纤维复合水凝胶提供了广泛的可调模量（从~ 5 kPa 到几十MPa），这与大多数生物组织和器官的模量相匹配。超薄的结构和超柔软特性使电纺纤维复合水凝胶能够无缝附着在各种粗糙表面上，是构建贴附型生物电子器件的理想材料。 纤维复合水凝胶薄膜基于静电纺丝、旋涂和冻融联合技术构建（图1）。通过调控静电纺丝时间、旋涂时间和冻融次数，实现对纤维复合水凝胶薄膜理化性质的调控（厚度5微米到毫米；模量几千帕到几十兆帕）。例如，增加纺丝时间可显著提高纤维复合水凝胶薄膜的力学性能；提高旋涂速率，有利于降低纤维复合水凝胶薄膜的厚度；增加冻融次数，可提高水凝胶自身的模量。纤维复合水凝胶具有优异的力学强度，一片厚度仅为7微米水凝胶薄膜可轻松托起20g重量的物体。此外，包埋的纤维网络可有效抑制应力集中导致的裂纹扩增，赋予纤维复合水凝胶薄膜优异的抗撕裂性能（图2）。图1 纤维复合水凝胶设计和制备      图2 纤维复合水凝胶薄膜力学性能     常规的水凝胶材料具有容易失水的缺点，长期暴露于空气中时，由于体系水分的蒸发从而使水凝胶体系失效。该研究通过在纤维复合水凝胶体系中掺入甘油作为保水剂，使复合水凝胶体系具有优异的抗失水性能。暴露于空气中七天后，仍具备优异的柔性。此外，为了改善纤维复合水凝胶的导电性，甘油/NaCl体系使纤维复合水凝胶在空气中维持长期的高导电性能（图3）。      图3 纤维复合水凝胶薄膜抗失水性能 得益于纤维复合水凝胶薄膜超软和超薄的特性，其可实现对各种不同粗糙表面的无缝贴附，其广泛可调的力学性能几乎可实现对所有生物软组织（如脑、肝脏、心脏、肺和皮肤）模量的完美匹配，可伴随组织产生形变而不损伤组织，是构建柔性生物电子器件的理想材料（图4）。 图4 纤维复合水凝胶薄膜的柔性和贴附性能      基于甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶构建的贴附型生物电极具有比商业凝胶电极更加优异的信噪比和长期使用性能。商用凝胶电极长期（48h）暴露于空气中会由于失水从而丧失性能，甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极在7天后仍旧保持良好信噪比，可实现对人体肌电信号的采集。甘油/NaCl体系的纤维复合水凝胶电极用于检测人体肌电信号，可实现对不同运动姿势和不同运动强度肌肉电信号的监测（图5）。     图5 纤维复合水凝胶电极用于人体肌电信号监测 研究人员通过将电纺纤维网络包埋于水凝胶，开发了一种制备超软、超薄、力学增强复合水凝胶的新策略。该工作为超薄柔性生物电子提供了新颖的设计和构建思路。

如何研磨水凝胶？医用水凝胶是一种高分子凝胶，主要是由水、聚乙二醇、丙酮等成分组成，它具有补水、保湿、抗衰、美白、消炎的作用与功效。而水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。水凝胶作为一种典型生物材料，具有众多别的材料所不可比拟的特性，如良好的生物相容性和生物降解性，类似组织的断裂韧性、可拉伸性、柔韧性、离子电导率等，使其成为了生物研究中的明星材料。上海般诺生物科技有限公司为了更好地服务客户，开放了做样服务，此次就接到高校实验室老师的做样需求，因此我们的工作人员对此进行实际做样并记录如下：一、客户样品1. 1#水凝胶样品约3ml；2. S#水凝胶样品约3ml 3. 溶剂 5ml。二、客户需求1. 将2份水凝胶样品分别研磨，颗粒度要求30ul.2. 研磨后加入给定的溶剂中。三、实验工具准备1. 上海般诺生产的BIONOON-48型号高通量组织研磨仪；2. 50ML研磨罐2个；3． 氧化锆研磨珠2颗；4. 液氮1罐。四、实验过程 (一) 样品预冻1. 将两个EP管内的水凝胶分别倒入准备好的2个研磨罐中；2. 每个研磨罐中加入1颗氧化锆研磨珠；3. 拧紧研磨罐，然后放入液氮中；4. 预冻5分钟左右取出待用。（二）样品研磨1. 将预冻后的研磨罐放入模块内；2. 拧紧螺帽，关上研磨仪，并锁上安全锁； 3. 设置实验参数：频率60HZ、时间60S 、研磨次数1次、中断时间0S（即不中断）；4. 点击“Star”键，一键启动，研磨仪自动运转；5. 到达设定的时间，研磨仪自动停止； 6. 打开研磨仪，取出模块，打开研磨罐，倒出样品。（三）封装样品1. 取出2只干净的EP管；2. 将1#研磨好的样品放入EP管中，加入一半的溶剂；3. 将S#研磨好的样品放入EP管中，加入剩下的溶剂；4. 将2个EP管拧紧，封装进塑封袋中。五、客户反馈 我们为客户提供了整个实验过程的短视频，以便于客户清晰了解整个实验过程，以及样品研磨好之后的状态。客户在收到样品后，结合我们的实验过程，怼我们的工作以及整体做样结果给予了认可及肯定。 六、产品介绍 上海般诺生物科技有限公司生产的BIONOON系列高通量组织研磨仪，可对动物组织、植物组织、微生物、食品药品、易挥发样品、塑料、聚合物、环境样品等进行干磨、湿磨及低温研磨，可根据客户实验要求，提供0.2ml~50ml样品的研磨，且一次性可实现多组样品的封闭式研磨破碎，重复性好。整机在设计上采用7英寸触摸屏，可显示工作状态，实现一键操作，且可以选配编程软件及接受客户定制化要求。