抗溶胀强韧水凝胶构筑新策略
2021/2/19 7:30:00 中科院之声

     水凝胶是一类具有三维化学或物理交联网络结构并且网络空隙中充满了水作为分散介质的软材料，其类似于生物软组织，具有独特的微环境(高含水量和通透性)和自适应的特点，在药物递送、组织工程、柔性电子器件等多领域展现出广阔的应用前景，将对我们的日常生活、生命健康等方面产生重要影响。

    

     图1 生活中常见的水凝胶材料

     其中，由于制备过程中不发生化学反应，以及无有毒原料(单体、引发剂等)残留，直接用高分子作为原料制备的物理交联水凝胶表现出更优的环境友好性和生物相容性，因而受到了广泛地关注。但是，由于高分子具有长链结构，难以屏蔽的高分子链内相互作用使其通常具有卷曲构象，不利于高分子链间相互充分发挥作用以形成稳固交联网络，因此以高分子为原料的物理水凝胶的力学性能差且不抗溶胀。因此，如何设计构筑力学性能稳定且优异的水凝胶是当前研究热点之一且具有重要现实意义。

     中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室邱东研究员课题组近年来致力于强韧水凝胶的开发与功能化研究，取得了系列进展。他们首次提出了“连体网络”增强策略，通过将两个或多个网络连接耦合并且协同作用，大幅度提升了水凝胶的力学性能，开发了可与人体组织力学性能媲美甚至更强韧的水凝胶材料；同时，还实现了水凝胶的多功能化，开发了黏附型水凝胶、耐盐性水凝胶、表面具有褶皱结构的仿生水凝胶。

    

     图2 基于溶剂置换的时域调控非共价相互作用的策略

     最近，中国科学院化学研究所邱东课题组和乔燕课题组合作，从调控高分子链间相互作用的角度出发，联合提出了通过溶剂置换调节非共价相互作用的时域表达来优化高分子交联网络结构的策略，并成功用于制备抗溶胀强韧水凝胶(exogels)。

     溶剂与高分子之间的亲和性对高分子内/间非共价相互作用有着重要的影响，进而可以影响高分子的构象和分布，在良溶剂中，高分子链内/间非共价相互作用均被抑制，有助于高分子链保持伸展的构象和均一贯穿的分布；置换为不良溶剂后，高分子链间非共价相互作用得以最大化恢复，从而提高交联点密度和均匀性。

     研究团队利用二甲基亚砜(DMSO)-水溶剂对，通过时域调控氢键制备了聚乙烯醇(PVA)exogels。由于DMSO是更强氢键受体，将优先与PVA形成氢键，从而抑制PVA分子链内/间的氢键，有利于PVA保持伸展构象和均一排布；被水(弱氢键受体)置换后，PVA链间氢键得以最大程度恢复，从而形成紧密均匀的网络。

     因此，PVA exogels的力学性能和抗溶胀性能均显著优于经典冷冻-解冻法制备的水凝胶(PVA cryogels)。此外，以水为终端溶剂驱动的溶液-凝胶转变使得PVA exogel具备对多种基材的水下粘附性能。此项工作对于高性能水凝胶的设计和制备具有指导意义，并可以拓宽水凝胶在水下粘接、组织工程和软体机器人等领域的应用。

    

     图3 PVA exogel的力学性能和抗溶胀性能

     相关研究成果发表在近期的 Advanced Materials杂志上(Adv. Mater. 2020, 32, 2004579)，并选为当期的Back Cover。通讯作者是邱东研究员和乔燕研究员，第一作者是徐礼桔博士。研究工作得到国家自然科学基金委和中国科学院的支持。

     来源：中国科学院化学研究所

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