港中深朱贺/郑大张琨《Adv. Mater.》：高强度、可回收且可降解的生物医用聚氨酯弹性体材料

2023-03-23 来源：高分子科技

弹性体材料在工业、医疗和日常生活等方面都有广阔的应用前景。目前迫切需要坚韧、可回收且可降解的下一代弹性体，但其制备仍然是一个严峻的挑战。为此，本工作设计并制备了一种基于聚己内酯(PCL)的聚氨酯弹性体。由于动态配位键的存在和应变诱导结晶的发生，得到的弹性体具有~372 MJ m^-3的高韧性和~646 kJ m^-2的断裂能，远高于天然橡胶。此外，弹性体可以使用溶剂回收至少三次而不损失其机械性能，并且可以在脂肪酶中降解。同时，获得的材料具有良好的生物相容性，在作为缝合线使用时可以促进小鼠的伤口愈合。该材料有望用于生物医学、柔性电子、机器人等新兴领域。

为了制备该弹性体材料，作者主要考虑了两个因素。一、选择PCL作为聚合物骨架。PCL是一种可降解的、具有良好生物相容性的聚合物。此外，它的易结晶性使其能够在材料拉伸过程中构建结晶区来延迟材料本体的断裂，提高材料性能。二、选择Fe³⁺与原儿茶醛(PA，扩链剂)配位相互作用作为动态交联点。Fe³⁺与PA的配位相互作用具有高强度、生物相容性和易制备性，可以在保留聚合物的加工性的同时提供高其力学性能。最终，作者获得了一种具有高强度、可回收且可降解的PCL基聚氨酯弹性体(PCL-PA-Fe)。整个合成如图1所示。

图1. PCL-PA-Fe的制备过程。

首先，作者对所制备的材料进行了结构和性能表征（图2）。由于强配位键的存在，相较于无配位结构的弹性体PCL-PA，PCL-PA-Fe的力学性能有了明显的提升。AFM测试结果也说明材料强度在引入配位键后明显增强。为了进一步分析其良好的机械性能，作者对材料进行了XRD和SAXS的结构表征，发现材料中存在相分离结构且还存在少量的PCL小结晶，在拉伸过程中，相分离结构会被破坏，其中主要包括分子链的解缠，配位键硬段团簇以及原始的PCL小结晶结构的破坏，随着拉伸形变的增大，弹性体的应变诱导结晶程度逐步增强，取向结构更加明显，因此具有强大的能量耗散体系。

图2. PCL-PA-Fe的力学性能和结构表征。

最后，PCL-PA-Fe具有良好的生物相容性，可以应用在伤口修复上。作者以小鼠作为实验模型，以PCL-PA-Fe弹性体线作为手术线，并对小鼠的伤口恢复情况进行了检查。从第7天和第14天的组织样本可以看出，第7天PCL-PA-Fe缝合的伤口均结痂并且痂下形成了完整的表皮，而对照组医用缝合线（天然蚕丝）缝合的伤口还未形成完整表皮，并且能看到伤口处的断裂，还未完全被胶原纤维填充；第14天所有组伤口都已愈合，但是PCL-PA-Fe手术线组新生皮肤更加平整，胶原纤维排列也更加致密规则。这说明使用PCL-PA-Fe缝合能够促进伤口愈合，使缝合更加紧凑。

图3. PCL-PA-Fe作为手术线促进伤口恢复的应用。

该研究成果“Tough, Recyclable, and Degradable Elastomers for Potential Biomedical Applications” 近期发表在 Advanced Materials上，香港中文大学（深圳）理工学院博士生郭西伟为论文第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院朱贺助理教授以及郑州大学生命科学学院张琨副教授。该工作得到了香港中文大学（深圳）朱世平教授和海南大学汪志芬教授的大力支持。本课题组长期招收博士后、博士生和硕士生，请有意者准备好完整的中、英文简历，代表文章PDF（若有）发送至邮箱：zhuhe@cuhk.edu.cn（朱老师）和qizhang@cuhk.edu.cn（张老师）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202210092

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（责任编辑：xu）

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