柔性木头：全木水凝胶的合成、机械性能及应变传感特性

坚韧柔韧的水凝胶因其在组织工程、软体机器人、传感器等领域的潜在应用而受到广泛关注。但是合成的水凝胶通常具有交联松散、含水量高等特点，使其机械性能较弱。此外，在大多数实际应用中，水凝胶在硬态和软态之间的动态转换是非常必要的。天然木材作为一种丰富的生物质资源，可以在释放纤维素之间的木质素后作为支撑材料，生成坚韧的木质结构水凝胶，用于增强机械强度、超级离子传输或压力传感器。然而，纤维素坚硬的结构使得木材水凝胶难以具有柔韧性；而且在木材加工过程中，木质素作为天然植物中第二丰富的生物聚合物，通常被丢弃为废弃物，造成了严重的资源浪费。

Highly Flexible and Broad‑Range Mechanically Tunable All‑Wood Hydrogels with Nanoscale Channels via the Hofmeister Effect for Human Motion Monitoring

Guihua Yan, Shuaiming He*, Gaofeng Chen, Sen Ma, Anqi Zeng, Binglin Chen, Shuliang Yang, Xing Tang, Yong Sun, Feng Xu, Lu Lin*, Xianhai Zeng*

Nano-Micro Letters (2022)14: 84

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00827-3

我们通过简单的Hofmeister效应成功地合成了全木水凝胶，而没有使用任何化学交联剂。首先，利用NaOH和Na₂SO₃的混合溶液原位提取大部分木质素，然后利用NaClO₂溶液(pH~4.6)进一步去除残留的木质素，得到疏松多孔但机械强度较弱的白木。之后将可生物降解的PVA引入体系中，通过与纤维素和木质素分子形成氢键来有效地重构体系。浸渍完全后将体系在-20 ℃下冷冻6 h，取出后置于Na₂SO₄溶液中在室温下进行盐析，得到具有明显网络结构的全木水凝胶。全木水凝胶仍保留了天然木材的各向异性结构，且纤维素在凝胶体系中充当骨架(图1)。

II 全木水凝胶的形成机理

经过脱木质素、再木质素和凝胶化过程后，凝胶网中的纤维素纤维膨胀软化，使全木水凝胶具有很高的柔韧性。当将其沿径向和纵向折叠、卷曲、打结拉伸等各种变形都不会产生断裂。全木水凝胶优异的力学性能主要归因于纤维素纳米纤维与木质素分子、PVA链之间的强氢键、物理纠缠、范德华力以及纤维素纳米纤维的增韧作用(图3)。

IV 全木水凝胶作为传感器性能分析

图5. (a) 全木水凝胶传感器的组装图；(b)纵向和径向反复弯曲时全木水凝胶的实时信号变化；(c)实时监测细微的肌肉运动，比如手指弯曲、脉搏跳动、吞咽和发声。

V 全木水凝胶的可调节性和生物可降解性

图6. 全木水凝胶的机械可调性、生物降解性和可回收性。