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近日，香港大學徐立之教授團隊報道了一種新的基于納米網絡模板法來構建高強度和高電導率水凝膠。以芳綸納米纖維和聚乙烯醇自組裝形成的復合納米纖維網絡為模板，在纖維網絡中進行聚合反應形成的聚吡咯復合在網絡的纖維上，形成新的導電高分子納米纖維網絡。該納米纖維網絡的導電閾值低至1 wt%的聚吡咯。

隨著聚吡咯含量提高，納米纖維網絡水凝膠的電導率可高達~80 S/cm，并具有~9.4 MPa的強度和~36%的伸長率。該導電水凝膠優異的電學和力學性能很難在其他材料體系中實現。此外作者通過簡單的加工技術，制備了各種圖案化結構，證明該材料在可穿戴電子器件方面的應用。

心肌細胞在該導電水凝膠上的培養，表現出快速成熟并進行自發地有節律地收縮，說明了材料良好的生物相容性以及在組織工程方面潛在的應用。該工作以“Hybrid assembly of polymeric nanofiber network for robust and electronically conductive hydrogels” 為題發表在《Nature Communications》（Nat. Commun. 14, 759 （2023））。文章的通訊作者是香港大學機械工程系徐立之教授。

圖1，導電水凝膠的結構和設計

制備過程如下：芳綸納米纖維和聚乙烯醇分散在DMSO中，經過浸泡在水中進行溶劑交換，高分子之間由于強氫鍵相互作用收縮形成了具有納米纖維的水凝膠網絡。吡咯單體通過三價鐵離子的氧化，在網絡中進行聚合反應。形成的聚吡咯完美地結合在纖維網絡上，形成具有相似拓撲結構的導電高分子納米纖維網絡。該導電納米纖維網絡的水凝膠材料具有良好的電導率以及延展性。簡單創新的合成體系可以實現高電導率和高強度水凝膠的制備。

圖2，獨特的電學特性

電學測試表明該水凝膠的導電閾值低至~1%，明顯低于其他電活性物質摻雜的導電水凝膠體系。在相同的合成條件下，采用芳綸納米纖維網絡為模板原位聚合形成的導電水凝膠其電導率高出沒有纖維網絡所形成的導電水凝膠3個數量級以上。另外其他導電高分子在芳綸納米纖維網絡中的聚合也具有類似的現象。利用納米模板法制備的導電水凝膠的體系遠遠優于傳統的制備體系，可以實現導電水凝膠電導率幾個數量級的提高。

圖3，導電水凝膠拉伸中的行為

由于納米纖維網絡的增強作用，導電水凝膠通過組分的調控，其強度區間在2-9.4 MPa，伸長率區間在20-55%。同時，該導電水凝膠獨特的導電通路結構導致其在形變過程中電阻變化很小，這是由于形成導電通路的納米纖維網絡在拉伸過程中發生了取向性地形變而網絡結構仍然保持完好。該導電水凝膠的抗拉伸能力以及保持電阻穩定的能力在柔性電子中具有重要的應用。

圖4，材料在可穿戴電子器件方面的應用

圖5，材料在組織工程方面的應用

基于該水凝膠優異的電學和力學性質，該導電水凝膠可以應用在對生理電信號的檢測，成為可穿戴電子器件的電極和導線材料。同時由于其良好的生物相容性，使其可以應用在神經和心臟的可植入系統。未來可以對該材料微尺度化，構建材料和細胞的多功能界面，實現在生物醫學方面更廣泛的應用。