受电鳗启发的柔软可拉伸“果冻电池”

来自剑桥大学的研究人员开发出了柔软且可拉伸的“果冻电池”，可在可穿戴设备或软体机器人中使用，可植入大脑递送药物，也可能用于治疗癫痫等疾病。研究人员从对于电鳗的研究中获得灵感——电鳗通过被称为电力细胞的改良肌肉细胞来击晕猎物。与电力细胞类似，剑桥研究人员开发的果冻状材料具有分层结构，就像有粘性的乐高积木，能够传导电流。

这种自愈型果冻电池可以拉伸至原长的十倍以上而不影响其导电性 —— 这是首次在单一材料中同时取得这样高的可拉伸性和导电性。这项研究结果近日在线发表于《科学进展》（Science Advances）杂志。

果冻电池由水凝胶制成：一种含水量超过 60% 的三维聚合物网络。聚合物通过可逆的开 / 关相互作用结合在一起，而这种相互作用控制着果冻电池的机械性能。精确控制机械性能和模仿人体组织特性的能力使水凝胶成为软体机器人和生物电子学的理想候选材料。然而，对于此类应用，材料需要既具有导电性又具有可拉伸性。

第一作者Stephen O’Neill（剑桥大学Yusuf Hamied化学系）表示：“设计一种既高度可拉伸又高度导电的材料很困难，因为这两种性质通常是相互矛盾的。通常，材料在拉伸时导电性会降低。”

同样来自化学系的合作者Jade McCune博士说：“通常，水凝胶由电中性聚合物制成，但如果我们使其带上电荷，它们就能变得导电。通过改变每种凝胶的盐分含量，并将不同含量的凝胶有序堆叠，我们就得到了更高的电势。”

传统电子设备使用刚性的金属材料，以电子作为电荷载体，而果冻电池则像电鳗一样使用离子来携带电荷。

多层水凝胶之间能够紧密粘合，是因为作者使用了被称为葫芦脲的桶状分子，这些分子就像分子手铐，可在不同层之间形成可逆的化学键。分子手铐提供的层间强粘附力使果冻电池可以拉伸，不会分离，更重要的是，不会失去导电性。

果冻电池的特性使其有望应用于未来的生物医学植入物，因为它们柔软且可贴合人体组织。“我们可以定制水凝胶的机械性能，使其与人体组织相匹配，”领导这项研究的化学系Melville聚合物合成实验室主任Oren Scherman教授与工程系的George Malliaras教授合作表示。“由于它们不含类似金属的刚性成分，水凝胶植入物被人体排斥或导致瘢痕组织形成的可能性要小得多。”

除了柔性外，这些水凝胶还具有惊人的韧性。它们可以承受挤压而不会发生塑性形变，并且在受损时可以自我修复。

下一步，研究人员计划在活体生物中测试这些水凝胶，以评估它们是否适用于各种医疗应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly Stretchable Dynamic Hydrogels for Soft Multilayer Electronics

Stephen J. K. O’Neill, Zehuan Huang, Xiaoyi Chen, Renata L. Sala, Jade A. McCune, George G. Malliaras, Oren A. Scherman*

Sci. Adv., 2024, DOI: 10.1126/sciadv.adn5142

参考资料：

Soft, stretchy ‘jelly batteries’ inspired by electric eels

https://www.cam.ac.uk/research/news/soft-stretchy-jelly-batteries-inspired-by-electric-eels