南京林业大学陈楚楚 Green Chem.：受螃蟹蜕壳启发的超薄、强韧、透明水凝胶

高分子科技

2025-02-09

导读：从天然蟹壳中提取甲壳素微纳米纤维，制备出仿蟹壳骨架的层状ChMNF网络...

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自然界中，生物体通过不断进化，建立了有序且坚固的组织结构，以抵御环境危害。蟹壳由于独特的层状结构，以及甲壳素、蛋白质和矿物质（碳酸钙）等组分间的协同作用而具有较好的机械性能。一个有意思的自然现象是，螃蟹会经历多次蜕壳过程：在蜕壳的早期，CaCO₃（主要是结晶方解石和文石）被吸收到体液中，转化为生物来源的ACC（无定形碳酸钙），并与甲壳素、蛋白相互作用，形成柔软且强韧的外壳，这与蜕壳后我们常见的坚硬蟹壳有明显的不同。

近期，南京林业大学陈楚楚课题组受螃蟹蜕壳的启发，提出了一种双重仿生策略，通过构建具有层状结构的三维甲壳素微纳米纤维（ChMNF）网络，引入纳米分离矿物（无定形碳酸钙，ACC）-丙烯酸聚合物（PAA）无定形无机杂化基质，开发了一种集多功能一体的ChMNF-PAA-ACC（CPA）水凝胶。该水凝胶同时具备高强度（~28.6 MPa）、高透光率（~88.1%）、低雾度（~1.86%）、良好的溶胀性能、固有的荧光性和导电性等优势。基于这些优点，组装的CPA水凝胶基传感器可以检测多种外部刺激（如应变、压力和温度），在柔性传感等应用中显示出良好的潜力。

图1. CPA水凝胶的仿生制备

该研究从天然蟹壳中提取甲壳素微纳米纤维（ChMNF），制备出仿蟹壳骨架的层状ChMNF网络，再与聚丙烯酸（PAA）复合，形成ChMNF-PAA复合材料。最后，将合成的ACC引入ChMNF-PAA模板中，制备出了蜕壳仿生的ChMNF-PAA-ACC水凝胶。

图2. CPA水凝胶的微观结构

力学性能、光学性能、导电性能、溶胀性能

由于构建了三维甲壳素微纳米纤维网络结构，并结合了稳定良好的ACC和PAA的无定形无机杂化基质，CPA-16水凝胶拉伸强度高达28.6 MPa，且经过多次干-湿循环后，仍可以恢复到原来的状态，几乎没有任何机械强度的损失。除此之外，CPA水凝胶的透光率高达88.1%，雾度低至1.86%，且具备一定的导电性能，可应用于柔性可穿戴电子设备中。

图3. CPA水凝胶的力学性能、光学性能、导电性能、溶胀性能

CPA水凝胶基柔性传感

基于柔、软、薄的特性，组装的CPA水凝胶基传感器可以监测人体各种微细活动。例如，CPA基传感器对皮肤变形表现出良好的适应性，可以监测微小的人体活动以及环境变化；其响应和恢复时间快至0.08 s，在多功能柔性传感材料中显示出良好的应用前景。

图4. CPA水凝胶基柔性传感

荧光特性

在这项工作中，ChMNF、CP和CPA样品在365 nm紫外光下时都表现出固有的荧光特性。其中，ChMNF发出蓝光，CP水凝胶表现出明亮的蓝绿色发射，而CPA则表现出橙色发射。该特性拓宽了CPA水凝胶在防伪、智能检测、生物传感器等方面的应用。

图5. CPA水凝胶荧光特性

该工作以题为“Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells”的论文发表在期刊《Green Chemistry》。论文通讯作者为南京林业大学材料科学与工程学院陈楚楚副教授，该研究受到国家自然科学基金项目等的资助。

论文信息：

Yamei Zao, Muqiu You, Jieru Ma, Xiaoyu Du, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Chuchu Chen*. Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells, Green Chem, 2025. DOI: 10.1039/D4GC05711B

https://doi.org/10.1039/D4GC05711B

点击下方“阅读原文”可下载该篇论文。

南京林业大学陈楚楚/英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授 Small：全木材基无胶自粘合透明木玻璃

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