在自然界中，生物體具有自我修復的能力。例如，當我們的皮膚被割傷時，它會自動愈合。而在科學技術領域，研究人員也希望能創造出具有“自愈"能力的材料，來模擬這一自然過程。自愈合材料，尤其是自愈合水凝膠，正逐漸成為新材料科學的重要前沿。它不僅能應對機械損傷，還能夠恢復其功能，極大地拓寬了其在醫療、電子、環境保護等領域的應用前景。今天我們就來了解一下究竟什么是自愈合水凝膠？它的原理又是怎樣的？
??創傷愈合過程（圖片來源：[1]）
水凝膠是一類含有大量水分的三維網絡結構材料，它能夠吸水膨脹，并在水中保持其穩定形態。這些材料通常由天然或合成的高分子物質構成，因其優異的生物兼容性、柔軟性以及良好的吸水性，在醫藥、化妝品、農業等多個領域中都有廣泛應用。自愈合水凝膠，則是在傳統水凝膠的基礎上，通過特殊設計，使其具備在遭受損傷后能夠具備自我修復的能力。
??自愈合水凝膠（圖片來源：[6]）
自愈合水凝膠的修復機制通常包括兩類：一種是化學修復機制，通過化學反應修復損傷；另一種是物理修復機制，通過物理作用（如氫鍵、范德華力等）恢復材料的結構。不同的自愈合水凝膠材料，其自愈合的速度、修復的效果以及適用的環境條件都有所不同。
自愈合水凝膠的修復原理涉及到多個方面。首先，許多自愈合水凝膠采用了動態共價鍵或非共價鍵（如氫鍵、離子鍵等）作為其結構維系力，這些鍵能夠在外力作用下發生斷裂，但在某些特定條件下（如加熱、光照、化學反應等）又能夠迅速重新形成，恢復其原有的結構。
??基于動態亞胺共價鍵的自愈合機理圖（圖片來源：[4]）
例如，一些自愈合水凝膠中包含有可逆的化學鍵，如酯鍵、二硫鍵等。這些鍵能夠在受到損傷時斷裂，但在合適的條件下，這些鍵會自動重新結合，修復損傷部位。還有一些水凝膠通過分子鏈間的相互作用，如氫鍵、離子交換等，使得材料具有“記憶"功能，在受損后能夠自動恢復原狀。
??自愈水凝膠成膠機制示意圖（圖片來源：[7]）
此外，還有一種新型的自愈合水凝膠利用水合作用進行修復。當水凝膠的表面受損時，水分的重新分布能夠幫助材料恢復其結構。這種修復機制通常是在水凝膠內部網絡結構發生微觀損傷時發揮作用，修復速度較快，適用于一些較為柔軟的材料。
自愈合水凝膠在醫學上的應用，尤其是在創傷修復和藥物遞送系統中，表現出了巨大的潛力。在傷口愈合方面，自愈合水凝膠能夠在人體創傷處快速修復，減輕患者的痛苦并加速傷口愈合。比如，研發人員已經成功將自愈合水凝膠應用于創可貼、傷口敷料等產品中。這些水凝膠不僅能夠吸濕，還可以緩慢釋放藥物，促進組織的再生。
??動態抗菌水凝膠的制備及應用示意圖（圖片來源：[5]）
自愈合水凝膠還被廣泛應用于柔性電子設備的研發中。柔性電子設備要求材料能夠在彎曲、拉伸、壓縮等條件下保持性能。自愈合水凝膠由于其良好的彈性和自愈能力，已被用來制造柔性傳感器、可穿戴設備等。這些設備可以在遭受外力損傷后，快速自我修復，恢復功能，大大延長了設備的使用壽命。
??自愈合水凝膠在生物傳感器的應用（圖片來源：[2]）
自愈合水凝膠在環境保護和能源領域也有著廣泛的應用前景。例如，研究人員正在嘗試將其用于電池和超級電容器的制造。自愈合功能可以使電池在遭受微小損傷時自動修復，從而提高電池的使用壽命和安全性。此外，自愈合水凝膠也能夠被應用于水處理和污染物捕捉等領域，用于去除水中的有害物質。
??全低共熔凝膠軟電池（AESB）的設計構筑（圖片來源：[3]）
在智能材料的設計上，自愈合水凝膠的應用將是一個革命性的突破。這些水凝膠可以被用來制造具有自修復能力的智能表面、傳感器以及其他高性能材料。例如，一些自愈合水凝膠可以在機械磨損、裂紋或疲勞損傷后恢復原狀，提高材料的耐用性和穩定性。
6
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務