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  彈性體材料作為兼具高強度、高剛度、高韌性、高環境穩定性和高導電性的多功能材料，在軟機器人、人造肌肉及軟離子電子器件等領域展現出巨大潛力。然而，這些互斥特性的整合仍是根本性挑戰。近年來，通過分子與結構工程結合合成化學的仿生設計，以及3D打印、定向凍結、電/磁場驅動相分離等先進制造技術的應用，為突破這一瓶頸提供了新路徑。然而，如何通過簡便、低能耗的方法實現復雜有序結構的復制仍是當前研究的難點。

  近日，廣西大學徐傳輝教授課題組模仿雙子葉植物葉片的層次網絡結構，開發了一種擁有雙模式協同呼吸監測功能的葉脈仿生彈性體。該合成葉片系統通過精確的結構-功能對應，集成了四個仿生組件:首先，CMCS在葉脈中模擬天然纖維素的(1→4)-糖苷鍵結構，提供機械支撐和離子運輸；第二，由氧化銅納米顆粒(CuO)原位生成Cu²⁺形成配位鍵，模擬木質素-纖維素交織網絡，提高穩定性和機械強度；XSBR作為基質，模擬植物細胞的空間排列，提高彈性；最后，DES作為導電介質，模仿葉片汁液，以提高導電性和穩定性。通過自下而上的組裝策略和簡便低能耗的膠乳成膜方法，在構建隔離網絡結構的同時進行調控，形成葉脈狀的網絡結構。該材料不僅實現 11.70 ± 0.34 MPa 的優異拉伸強度和 2.51×10^-2 S/m 離子導電性，還能通過吸濕拓寬離子通道、降低 DES 黏度。利用這種協同作用，葉片啟發彈性體表現出卓越的濕度響應特性，實現了電壓和電阻信號的雙模式監測。

  該成果以題為“Leaf Hierarchical Venation Network-Mimetic Elastomer for Dual-Mode Synergistic Respiration Monitoring” 發表在《Advanced Functional Materials》上，2023級碩士研究生林子浩為第一作者，徐傳輝教授為通訊作者。

1.葉子啟發的基礎單元設計

  雙子葉植物的葉脈形成具有多尺度的層次結構，從宏觀的網狀脈形成到微觀的維管束，再到納米尺度的木質素和纖維素的組合。這種集成框架包括共價交聯的木纖維素網絡（通過C-O-C和C-C鍵）和纖維素分子之間的氫鍵相互作用，為材料設計提供了重要啟示。受此啟發，研究團隊以XSBR為基體，CMCS在其中形成一體化的隔離網絡結構，通過加入CuO原位生成銅離子交聯XSBR和CMCS增強材料穩定性，并引入DES增強材料的導電性。密度泛函理論計算各組分間的結合能，結合能計算表明CMCS與XSBR之間的氫鍵結合能為-0.90 eV，而與Cu2?的配位鍵結合能高達-21.57 eV和-23.13 eV，確保材料的穩定性。

2.仿生脈絡網絡結構的演變過程

  研究團隊通過SAXS和冷凍干燥TEM研究了仿生脈網的形成過程，將研究視角從空間形態擴展到時間維度。最后，該研究將分離網絡的形成分為四個連續的階段：

  階段1(水蒸發)：乳膠顆粒表現出增加的有序性。XSBR-Cu²⁺絡合物吸附在顆粒表面，形成由氫鍵和離子相互作用穩定的殼狀結構，引發顆粒聚集。

  階段2(顆粒排列)：毛細管力驅動顆粒排列成規則排列，形成由XSBR-Cu²⁺殼層分隔的多面體泡沫細胞。這些殼抑制聚結，維持柔韌性顆粒的邊界和形狀。

  階段3(殼層選擇性固定和變形)：當毛細力超過顆粒間斥力時，親水層破裂，導致油-水(O/W)向油-水(W/O)相位反轉。同時，親油橡膠鏈將親水殼壓縮到顆粒間隙中，造成顆粒變形。

  階段4(分子鏈擴散)：橡膠鏈通過殼間隙擴散，均質成基質。充分發育的網絡表現出增強的機械性能。

3.仿生脈絡網絡結構的濕度響應行為

  天然植物的葉子表現出非凡的感知水分和利用環境能量的能力。由于這種生物啟發葉脈隔離網絡結構，彈性體表現出優異的水分響應性能。加入CMCS后，彈性體的水接觸角從63.14°逐漸增大到73.79°，浸泡在DES后，彈性體的水接觸角進一步增大到79.3°隨著相對濕度的增加，傳感器的ΔR/R₀呈線性下降趨勢，ΔV/V₀呈線性上升趨勢，電阻和電壓變化均呈良好的線性相關(R₂ = 0.99)，電壓響應R₂ = 0.97)。并且在各種形變下均能顯示出穩定的信號輸出。

4.仿生脈網絡彈性體在雙模監測中的應用

  該仿生彈性體模仿植物葉片的敏感吸濕結構，通過濕度介導的生物傳感系統實現實時健康評估。由XCC-7.5E制備的傳感器可以準確地識別人體呼吸頻率，包括正常、快速和慢速的呼吸狀態。柔性彈性體在四種變形狀態下（扁平、扭曲、彎曲和打結）能準確地響應水分的變化。長達1800 s的監測過程中，實時準確地監測了人體在閱讀和工作下產生的電阻和電壓信號。

  該論文得到了國家自然科學基金（22175044）、廣西自然基金重點項目（2023GXNSFDA026049）、廣西重大人才計劃的資助。

  文章鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202519321