两性离子水凝胶由于其密集的带电网络、超低污染特性和优异的生物相容性而引起了极大的兴趣。然而，两性离子凝胶不令人满意的机械性能限制了它们的实际应用。最近，浙江工业大学科研团队从结构改进的磺基甜菜碱单体3-(1-(4-vinylbenzyl)-1H-imidazol-3-ium-3-yl)propane-1-sulfonate(VBIPS)开发了一类新的两性离子水凝胶。
掺入的苯和咪唑大大提高了凝胶的拉伸韧性和断裂韧性，分别比传统的两性离子水凝胶提高了40倍和60倍。裂纹扩展过程中出现明显的裂纹钝化现象。原位显微观察表明，优异的韧性源于室温下两相结构的形成，缔合能对比明显。凝胶的机械性能可以通过改变pH值来调整，并通过酸处理实现自修复。VBIPS凝胶还具有出色的短期防污性能，并且可以通过盐处理在较长时间范围内轻松释放附着的细菌。为了扩大应用潜力，通过将凝胶浸泡在离子液体中制备了VBIPS离子凝胶，该凝胶具有柔韧性、抗冻性，可用作应变传感器。这项工作提供了一种增韧两性离子水凝胶的分子策略，这将扩大其在不同领域的应用。
示意图1.该工作中使用的两性离子单体的化学结构和合成两性离子水凝胶的示意图
图1.不同两性离子单体合成的水凝胶的（a）外观、（b）FTIR光谱、（c）含水量和（d）拉伸曲线；图像显示在(d)中以显示DVBAPS和VBIPS凝胶的拉伸性。(e)断裂伸长率和断裂应力，以及(f)两性离子水凝胶的杨氏模量和拉伸韧性。(g)两性离子水凝胶的加载-卸载曲线。(h)纯两性离子水凝胶的机械性能图
图2.(a)用单边缺口拉伸法测量断裂能。拉伸无缺口样品以获得标称应力-拉伸曲线，拉伸具有相同尺寸的缺口样品以记录裂纹扩展的开始。计算断裂能的公式列在面板（a）中。(b)有/无缺口的不同两性离子水凝胶的拉伸曲线。(c)显示初始裂纹长度为3mm的VBIPS水凝胶的钝化行为的照片。比例尺：10毫米。(d)两性离子水凝胶的σ/E值；虚线表示钝化的临界值。(e,f)两性离子水凝胶的断裂韧性、断裂功和(e)压裂内聚长度(f)。
图3.(a)两性离子凝胶的显微图像。(b)调整图像对比度和颜色后VBIPS凝胶的相分离结构。(c)不同温度下两性离子凝胶的照片。(d)两性离子凝胶的储能模量G、损耗模量G"和损耗因子tanδ的频率依赖性。
图4.(a)PVBIPS单元在不同pH值下化学结构变化的示意图。(b-d)VBIPS凝胶在不同pH值下的ζ-电位(b)、拉伸曲线(c)和相应的机械参数(d)。(e)在特定pH值下平衡的VBIPS凝胶在不同温度下的频率扫描。
图5.(a)VBIPS水凝胶愈合过程的照片：将样品切成两个分开的部分，然后使两个不同的部分相互接触，然后在酸性溶液中溶胀（pH=1）)和水。(b)光学显微图像说明了VBIPS水凝胶的酸引发愈合能力。(c)VBIPS水凝胶在不同愈合条件下的拉伸应力-拉伸曲线。（d）VBIPS水凝胶的应力松弛曲线，分别在酸溶液（pH=1）和水中平衡。
图7.(a)1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(EMI-BF4)的结构。(b)VBIPS离子凝胶的宏观和微观图像。(c)VBIPS水凝胶和离子凝胶的拉伸应力-拉伸曲线。(d)VBIPS离子凝胶和水凝胶的DSC曲线。(e)离子凝胶在不同温度下的离子电导率。(f)VBIPS离子凝胶的防冻性能；凝胶可以扭曲并在-20和-50°C下点亮LED。(g)相对电阻变化(ΔR/R0)随施加应变的演变；应变系数(GF)由曲线的斜率确定。(h)离子凝胶在3个循环的不同施加应变下的ΔR/R0和连续30个循环的0至%应变。(i)监测手指的运动；离子凝胶的ΔR/R0随弯曲角度（30、60、90°）而变化。
该团队通过分子工程改造两性离子部分的化学结构，合成了一类新型坚韧的两性离子水凝胶，即VBIPS水凝胶。在单体中引入苯和咪唑基团后，两性离子凝胶显示出良好的机械性能，极限伸长率为~4.5，断裂应力为kPa。VBIPS凝胶的拉伸韧性和断裂韧性分别比传统两性离子凝胶(SBAA)高40倍和60倍。同时，VBIPS凝胶内部的大尺寸裂纹在延伸过程中变钝，表明其抗裂能力突出。团队发现苯和咪唑基团的引入导致凝胶中的微相分离，结合强度分布广泛。富聚合物相赋予弹性，而贫聚合物相在拉伸过程中破裂以耗散能量。此外，由于物理键的动态特性，VBIPS凝胶显示出自愈能力，可以通过酸处理进一步增强。该凝胶还表现出防污性能，包括可观的短期防污性能和盐触发细菌释放能力。将VBIPS水凝胶浸入EMI-BF4中后，得到的离子凝胶保持良好的拉伸性和防冻性能。然后将离子凝胶用作应变传感器来检测人体运动。这项工作应该为设计坚韧的两性离子水凝胶提供一种策略。VBIPS凝胶具有良好的机械性能、自愈能力和防污性能，有望在生物医学和工程领域得到应用。
相关论文以题为MolecularlyEngineeredZwitterionicHydrogelswithHighToughnessandSelf-HealingCapacityforSoftElectronicsApplications发表在《ChemistryofMaterials》上。通讯作者是浙江工业大学郑司雨特聘副研究员,和杨晋涛教授。
参考文献：
doi.org/10./acs.chemmater.1c