西安交大成一龙课题组《Adv. Mater.》: 基于聚电解质霍夫迈斯特效应增强的双网络水凝胶

2023-03-25 来源：高分子科技

水凝胶作为一种软湿材料，具有高度可调的物理化学性质，在生物组织粘合剂、柔性电子器件和组织替代物等领域展现出广泛的应用潜能。然而，水凝胶的高含水量往往伴随弱的机械性能，难以满足承重软组织的需求。无机盐的霍夫迈斯特效应已被广泛应用于调节水凝胶的机械性能，但是水凝胶中高浓度的盐含量可能会降低生物相容性，并限制其在生物医学领域的应用。

近日，西安交大成一龙研究员课题组首次发现聚电解质可以通过霍夫迈斯特效应增强双网络水凝胶。与聚丙烯酸（PAA）相比，在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中引入阴离子聚丙烯酸钠（P(iAA)）可以显著提高水凝胶的机械性能。所制备的PVA₁₀/P(iAA)₁₅水凝胶的拉伸强度、压缩强度、杨氏模量、韧性和断裂能分别为PVA₁₀/PAA₁₅水凝胶的73倍、64倍、28倍、135倍和19倍。

图1. PVA₁₀/P(iAA)₁₅和PVA₁₀/PAA₁₅水凝胶的制备及机械性能比较。

通过扫描电子显微镜（SEM）、衰减全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、X射线衍射（XRD）、小角X射线散射（SAXS）和差示扫描量热法（DSC）等多种表征手段系统研究了PAA和P(iAA)对PVA结晶行为的影响，阐明了聚电解质的霍夫迈斯特效应对水凝胶机械性能的增强机制：与可能干扰PVA链间氢键形成的PAA相比，P(iAA)中的羧酸根离子可以极化PVA周围的水合分子，诱导PVA聚集形成结晶，作为水凝胶网络中的有效交联点，从而显著提高PVA₁₀/P(iAA)₁₅水凝胶的力学性能。

图2. 不同聚合物链影响PVA结晶行为的机理探究。

值得注意的是，通过改变阴离子聚合物的浓度、离子化程度和相对疏水性可以使水凝胶的机械性能在宽范围内可调，以满足生物医学应用的不同需求。具体而言，拉伸强度可从21 kPa调整到1.45 MPa，断裂伸长率从420%到750%，杨氏模量从19 kPa到1020 kPa，韧性从0.04 MJ/m³到5.43 MJ/m³，压缩强度从0.15 MPa到12.35 MPa。其中杨氏模量可以涵盖人体内各种软组织的模量。

图3. 阴离子聚合物霍夫迈斯特效应的影响因素。

为了探究该策略的普适性，研究人员进一步验证了不同聚电解质，包括阴离子聚合物（聚γ-谷氨酸钠和聚烯丙基磺酸钠）和阳离子聚合物（聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵）对琼脂糖和PVA水凝胶的霍夫迈斯特效应。结果表明，该简单策略适用于其他霍夫迈斯特效应敏感聚合物和聚电解质。

图4. 聚电解质霍夫迈斯特效应的普适性。

此外，在聚电解质结构中引入脲键可以进一步提高水凝胶的机械性能（拉伸强度1.95 MPa）和抗溶胀性（30天内溶胀率为68%）。所制备的PVA₁₀/P(iIEM-Gly)₁₅水凝胶具有有效的能量耗散能力，优异的弹性和自恢复性，能够在伤口的频繁活动中保持稳定，同时在承受内力或外力时迅速恢复。结合优异的防污能力和生物相容性，该水凝胶可以作为生物补片有效预防内脏黏连和疝气形成，并加快腹壁缺损的愈合。

图5. PVA₁₀/P(iIG)₁₅水凝胶的溶胀行为、机械性能和增强机理。

图6. PVA₁₀/P(iIG)₁₅水凝胶有效预防内脏黏连和疝气形成。

相关工作以“Toughening Double Network Hydrogels by Polyelectrolytes”为题，发表于Advanced Materials。论文的第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生张梦园，通讯作者为西安交通大学化学学院成一龙研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”、中央高校基本科研业务费等项目的支持。论文的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202301551

成一龙研究员主页：http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yilongcheng

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（责任编辑：xu）

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