生物基多功能材料及可持续微器件在人机交互、智能医疗等领域需求激增，凝胶基软材料体系因整合天然生物质资源的优势成为研究热点。木质素因储量丰富、可增强材料性能等优势受关注，但传统溶剂中加工难、负载量低的问题制约其应用。低共熔溶剂（DES）可高效溶解木质素，并克服传统水凝胶环境适应性差的短板。现有木质素基低共熔凝胶虽已实现部分应用，但低负载量导致性能平衡与多尺度加工存在不足，解决该问题对推动软凝胶器件实用化至关重要。

  近日，中山大学材料科学与工程学院谢庄副教授在《Advanced Materials》发表“Polymerizable Deep Eutectic Solvents-Enabled High-Lignin-Density Networks for Ambient Multi-scale Fabrication of Multifunctional and Extreme Environment Adaptable Soft Devices”的研究论文，在高木质素含量低共熔凝胶及多功能微器件取得重要进展。

  团队创新性地采用可聚合低共熔溶剂（PDES）策略，成功开发出一种可室温快速成型、多功能的高木质素凝胶体系。以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵作为兼具氢键受体和阳离子聚合物基质功能的低共熔单体，以乳酸为氢键供体，体系可兼容超过20 wt%的木质素磺酸盐（LS）。在木质素磺酸盐及少量Al3?的协同作用下，该LS-PDES体系能在数分钟内于室温完成凝胶化，并支持开放式空气中的微图案化加工，最终获得具有优异离子导电性能的低共熔凝胶。该凝胶在-80℃至100℃的极端温度范围内表现出卓越的环境稳定性。高含量木质素的引入，在凝胶网络中构建了丰富的非共价相互作用，不仅显著提升了材料的力学韧性和通用黏附性，还赋予其自愈合、光热转换及抗菌等多重功能，综合性能优于以往多数低木质素负载凝胶系统。基于上述特性，团队进一步实现了多尺度软器件在室温环境下的便捷制造，包括可用于为可穿戴应变传感器供电的耐弯曲、抗冲击超级电容器，以及能在极端温度下稳定工作的可拉伸有机电化学晶体管（OECT）阵列。该高木质素含量低共熔凝胶体系，为印刷柔性离子电子器件、生物电子接口及类脑计算元件的研究与制造，提供了一条简单、绿色且高效的路径。

图1 木质素-低共熔溶剂（LS-PDES）制备示意图以及极端环境适应性的软器件的室温开放环境多尺度制造。

  分子动力学模拟证实，LS-PDES间多重非共价相互作用，特别是静电作用驱动三维互联结构组装，并在过硫酸铵加入后快速反应生成自由基高效聚合，助力凝胶化并提升网络柔韧性，所得凝胶兼具优异力学强度与柔软性。更关键的是，该体系可在空气下多种基底书写、涂覆或微印刷，制备可拉伸图案化凝胶，为多尺度凝胶基软器件便捷制备提供关键支撑。

图2 (a) 室温下低共熔凝胶快速合成自放热自由基聚合及红外热成像图。(b) 凝胶化时间变化曲线图；插图为不同AlCl?含量下的凝胶化时间。(c) 捕获半醌自由基存在的电子顺磁共振（EPR）光谱。(d) 傅里叶变换红外（FTIR）光谱图。(e) 分子动力学（MD）模拟结果以及对应的结合能和每摩尔LS重复单元的平均氢键数量。(f) 低共熔凝胶在承重、弯曲、打结及拉伸条件下的照片。(g) 在室温开放环境下，多种弹性基底（包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）(i)、乳胶手套(ii)及猪皮(iii)）上书写制备20%LS-PDES低共熔凝胶，以及在PDM上印刷的LS-PDES凝胶微点阵列(iv)。

  LS-PDES之间形成的多重非共价相互作用，能显著强化低共熔凝胶的力学性能。结果显示，当LS含量提升至20 wt%时，凝胶拉伸强度较5 wt%时提升6倍，杨氏模量与韧性也同步大幅增强。该凝胶还具备优异的动态性能：在连续拉伸、压缩测试中可稳定保持性能，即便承受90%的压缩应变仍能可逆恢复，抗形变韧性突出；且凝胶断裂后可实现自愈合，并在光热效应下加速恢复，为其在柔性电子等领域的实用化应用提供了重要支撑。

图3 LS-PDES低共熔凝胶的力学性能。(a) 不同LS含量和Al3?比例下LS-PDES低共熔凝胶的拉伸应力-应变曲线以及杨氏模量和韧性。(b) 含20 wt% LS且METAC:LA:Al3?摩尔比从1:1:0.1增至5:1:0.1时，LS-PDES低共熔凝胶的拉伸应力-应变曲线以及杨氏模量和韧性。(c) 低共熔凝胶在100%至500%应变范围内的循环加载-卸载曲线。(d) 低共熔凝胶在100%应变下的循环加载-卸载曲线，表明动态凝胶网络可在约3分钟内实现自恢复。(e) 原始LS-PDES低共熔凝胶与自愈合后凝胶的应力-应变曲线对比。(f) 不同LS浓度的LS-PDES低共熔凝胶在红外光照射下的温度变化。(g) 展示20%LS-PDES低共熔凝胶通过光热效应实现加速自愈合。

  LS-PDES低共熔凝胶具备卓越通用黏附性，表面功能基团可使其牢固黏附玻璃、塑料、聚四氟乙烯及猪皮等。黏附优势源于凝胶与基底的多重协同作用，且随木质素磺酸盐（LS）含量提升同步增强，同时具备出色抗菌性，为新型胶粘剂、医用敷料及生物电子器件研发提供创新方案，应用前景广阔。

图4 LS-PDES的黏附性能。(a) LS-PDES低共熔凝胶黏附于多种基底的照片。(b) 通过搭接剪切试验测得的LS-PDES低共熔凝胶与多种基底的最大黏附强度。(c) LS-PDES低共熔凝胶与已报道的木质素基凝胶（木质素含量>1 wt%）在不同基底上的黏附强度对比。(d) 采用不同氢键供体（HBD）的LS-PDES低共熔凝胶在PET基底上的黏附强度曲线图，其中原位凝胶化相较于凝胶粘贴可显著提升黏附性能。(e) LS-PDES低共熔凝胶与猪皮之间的剥离强度曲线及对应的界面韧性，其中LS含量增加可增强界面结合力。(f) LS-PDES低共熔凝胶黏附机制的示意图。(g) 展示LS-PDES低共熔凝胶抗菌效果。

  该低共熔凝胶具备出色长期稳定性，室温储存1个月仍保高拉伸性；脱水后力学强度大增，小尺寸凝胶可支撑60 kg人体，且具备优异的离子导电性，能耐受-80℃至100℃极端环境，适配极端条件软电子应用。

图5 (a) 初始含水量约22 wt%的LS-PDES低共熔凝胶在室温开放环境储存过程中的重量变化；插图为储存30天后仍保持拉伸性的印刷态低共熔凝胶。(b) 第7天脱水后的LS-PDES低共熔凝胶（分别含与不含MBA交联剂）的拉伸应力-应变曲线。(c) 脱水后LS-PDES低共熔凝胶具备高强度可支撑人体站立的照片及对应的压缩应力-应变曲线。(d) 不同LS含量的LS-PDES低共熔凝胶（METAC:LA:AlCl?摩尔比为3:1:0.1）的离子电导率。(e) 不同METAC:LA:AlCl?摩尔比下，脱水后LS-PDES低共熔凝胶的离子电导率。(f) 可聚合低共熔溶剂（PDES）、LS-PDES低共熔凝胶与聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PMETAC）水凝胶的差示扫描量热（DSC）曲线对比。(g) -40℃至100℃范围内，离子电导率（对数形式）随1000/T变化的曲线图。

  利用LS-PDES凝胶无需外能快速凝胶化特性，实现柔性超级电容器快速制备。器件经电极间原位凝胶化构建稳固界面，电容较传统方式提升5倍，室温储存50天仍保60%以上电容，突破限制实现1.8V高输出电压。该电容器机械稳定性极强，可耐受弯曲、压力及100次冲击；基于此构建的自供能可穿戴传感系统，手指弯曲可实时响应，低温下红外照射3分钟即可恢复性能。

图6 基于LS-PDES的柔性超级电容器的电化学性能。(a) 泡沫镍电极间原位聚合LS-PDES凝胶电解质制备柔性超级电容器的示意图。(b) 采用涂覆型LS-PDES、原位聚合LS-PDES与活性炭（AC）电极的超级电容器，以及含原位生成电解质的器件在室温储存50天后的循环伏安（CV）曲线。(c) 采用PEDOT:PSS/LiTFSI电极的超级电容器的恒电流充放电（GCD）曲线及CV曲线（插图，扫描速率10 mV·s?1），表明器件输出电压可达1.8 V。(d) 涂覆PDES和20 wt%LS-PDES的载玻片承受冲击的照片。(e) 采用20 wt%LS-PDES电解质的超级电容器在承受100次连续冲击测试后的性能保留率。(f) 集成超级电容器电源与指上LS-PDES传感器用于运动监测的照片。(g) LS-PDES传感器的电阻响应随施加应变变化的曲线图。(h) 在柔性超级电容器供电下，手指弯曲时的实时电流响应。(i) 25℃和0℃下的实时应变响应，以及光热效应辅助下低温环境中传感性能的恢复情况。

  进一步研发出3×3类皮肤弹性有机电化学晶体管（OECT）阵列，9个器件均实现稳定开关性能，开关比高达100，性能与现有全固态器件相当；纤维型OECT可进一步微型化。更关键的是，OECT在40%拉伸应变、100次循环形变及-40℃至60℃宽温域内性能稳定，为极端环境下人工突触、神经网络等微型软电子应用提供创新方案。

图7 可拉伸有机电化学晶体管（OECT）阵列的性能展示。(a) 基于LS-PDES电解质和PEDOT:PSS/LiTFSI电极线阵列在弹性基底上制备OECT阵列的流程示意图，以及所制备交叉阵列的照片。(b) OECT阵列的工作机制。(c) 3个OECT器件的转移特性曲线及对应的跨导（Gm）曲线，该器件采用中间行PEDOT:PSS/LiTFSI源极/漏极线，分别与3个LS-PDES电解质重叠形成。(d) 3×3 OECT阵列中各器件跨导的统计结果。(e) 基于PEDOT:PSS微纤维沟道与涂覆LS-PDES的银线接触构建的OECT器件的转移特性曲线及对应的跨导曲线。(f) 3×3阵列中单个OECT器件在不同拉伸应变下的转移特性曲线，插图为拉伸方向示意图。(g) 该OECT器件在30%应变下经过多次拉伸循环后的开关比（ON/OFF ratio）和跨导变化曲线图。(h) 该OECT器件在-40℃至80℃温度范围内的转移特性曲线。(i) 该OECT器件的开关比和跨导随温度变化的曲线图。

  论文得到了国家自然科学基金面上项目和广东省自然科学基金的支持，硕士生李新龙为第一作者，谢庄副教授为唯一通讯作者。课题组近年来在凝胶及电化学软器件（有机电化学晶体管、电化学生物传感等）取得了系列成果，包括Adv. Mater. 2025, 37, 2409258；Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2415595；Adv. Funct. Mater., 2021, 2100447；ACS Nano 2023, 17, 21935；Nano-Micro Lett. 2022, 14, 184；Biosens. Bioelectron. 2025, 273, 117170；ACS Sens. 2025, 10, 1, 54；J. Polym. Sci. 2024, 62, 4928；J. Polym. Sci. 2022, 60, 2679；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12583；ACS Appl. Mater. & Interfaces 2020, 12, 56393等，欢迎交流合作xiezhuang@mail.sysu.edu.cn

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202519633.