《CEJ》武汉大学蔡杰：光热抗菌平台的强韧纤维素-氧化石墨烯复合水凝胶

生物大分子衍生的水凝胶由于其良好的亲水性、柔韧性、生物相容性和生物降解性而受到越来越多的关注。然而，提高这些水凝胶的机械强度，同时提高它们的韧性仍然是一项具有挑战性的任务。最近，武汉大学科研人员提出了一种使用多模量组分的策略来制造强韧的纤维素-氧化石墨烯（GO）复合水凝胶。GO 纳米片含量、GO 交联剂与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比和乙醇浓度是获得高强度和高韧性纤维素-GO 纳米片复合水凝胶的关键参数；所制备的复合水凝胶在压缩模式下的最高应力和断裂功分别达到 13.6 MPa 和 1.47 MJ/m3，在拉伸模式下分别达到 2.8 MPa 和 1.40 MJ/m3。讨论了由多模量组分组成的水凝胶的增强和增韧机制。此外，复合水凝胶在近红外辐射下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的光热抗菌性能。团队预计，使用多模量组件的策略将激发新的设计原则，以开发用于生物医学设备、柔性生物电子学等的高强度和高韧性生物大分子衍生水凝胶。

图 1. (a) 双交联纤维素/GO (DCCG) 复合水凝胶的制备示意图。(b, c) GO 纳米片-溶剂混合物（b，左）、纤维素/GO 纳米片溶液（b，右）和化学交联的纤维素/GO 纳米片碱凝胶（c）的照片。（d-g）DCCG 复合水凝胶（d）、拉伸前（顶部）和拉伸后（底部）的打结水凝胶（e）、承受 500 克负载的水凝胶（5 毫米宽、0.25 毫米厚）的照片（ f) 和水凝胶（直径 23 毫米，厚度 3.5 毫米），支撑其上放置的 2 公斤负载（g）。

图 2. 纤维素溶液、含 2 wt% GO的纤维素溶液、添加 ECH的纤维素溶液的储能模量 (G') 和损耗模量 (G'') 的时间 (a) 和频率依赖性 (b) ECH:AGU 摩尔比为 0.86)，含有 2 wt% GO的纤维素溶液添加了 ECH（ECH:AGU 摩尔比为 0.86）。GO、DCC 水凝胶和不同 GO 含量的 DCCG 复合水凝胶的 FTIR 光谱（c）。具有不同 GO 含量的 DCC 水凝胶和 DCCG 复合水凝胶的典型拉曼光谱 (d) 和 DCCG 复合水凝胶的相应 ID/IG 图 (e)。

图 5. 具有不同 GO 含量 (a, c)、乙醇浓度 (b, e) 和 ECH:AGU 的 DCCG 复合水凝胶的压缩应变-应力曲线 (a-c)和拉伸应变-应力曲线 (d-f) 摩尔比 (c, f)。插图显示了低应变范围内响应的放大图。各种水凝胶的压缩（g）和拉伸（h）强度与模量的比较。

图 6. 功率密度为 2 W cm−2 在 808 nm 激光照射下的 DCCG 复合水凝胶的热红外图像 (a) 和 DCCG2-3 在交替开关光照射期间的光稳定性 (2 W cm−2) 2) 五个循环 (b)。条形图显示了大肠杆菌 (c) 和金黄色葡萄球菌的相对细菌存活率。（d）大肠杆菌（e，f）和金黄色葡萄球菌（g，h）在DCCG4-3上（e，g）和（f，h）NIR照射之前和之后的SEM图像。

相关论文以题为Strong and Tough Cellulose–Graphene Oxide Composite Hydrogels by Multi-Modulus Components Strategy as Photothermal Antibacterial Platform发表在《Chemical Engineering Journal》上。通讯作者是武汉大学蔡杰教授。

封面图来源图虫创意