武汉大学施晓文教授课题组 Adv. Sci.：抗冲击水凝胶薄膜-基于牺牲胶束辅助取向策略

2024-10-11 来源：高分子科技

具有特殊功能的高分子聚合物水凝胶在组织工程、柔性电子和抗冲击材料方面具有广泛的应用前景。目前，研究人员已经开发了多种策略，包括定向冷冻、机械训练、外场作用、受限条件下干燥、预拉伸等，通过构建具有多尺度有序取向结构的水凝胶，从而增强其力学性能（强度、韧性、模量、抗冲击性等）。然而，水凝胶成型后，由于分子链间存在氢键，链间相互纠缠，阻碍分子链的取向排列，导致水凝胶力学性能难以进一步提升。

为解决这一问题，武汉大学资源与环境科学学院施晓文教授课题组提出了一种牺牲胶束辅助取向策略，构建出具有高度取向结构、高强度、高韧性的纯壳聚糖水凝胶（图1）。

图1 抗冲击壳聚糖水凝胶薄膜

在传统方法中，壳聚糖通过NaOH中和形成水凝胶，再进行取向以提升其性能。由于氢键的存在，壳聚糖分子链难以获得高取向，导致水凝胶力学性能差。在这项工作中，通过依次破坏氢键，聚合物链取向，然后重建氢键，最终得到强韧的取向性壳聚糖水凝胶（图2）。

图2 牺牲胶束辅助取向策略构建高强度、高韧性纯壳聚糖水凝胶薄膜

利用阴离子十二烷基硫酸钠（SDS）胶束与质子化壳聚糖（Chit-H⁺）之间的强静电相互作用，制备胶束Chit-H⁺/SDS水凝胶。SDS胶束削弱了质子化壳聚糖链之间的静电排斥，使链间距更近。随后，在单轴力的作用下，SDS发生胶束形态变化，辅助壳聚糖链的滑动与取向。最后，将取向后的Chit-H⁺/SDS水凝胶浸入NaOH溶液中，去除牺牲的SDS胶束，并重构壳聚糖氢键结晶网络。与传统策略相比，壳聚糖水凝胶强度增加了140倍，从0.4 ± 0.1 MPa增加到58.9 ± 3.4 MPa；模量增加了595倍，从0.4 ± 0.1 MPa增加到226.4 ± 42.8 MPa；韧性增加了103倍，从0.1 ± 0.01 MJ m^-3增加到10.3 ± 2.4 MJ m^-3（图2B）。经过干燥-再水合处理后，强度和模量进一步上升至70.3 ± 2.4 MPa和403.5 ± 76.3 MPa（图3-4）。

图3水凝胶薄膜的微观结构及力学性能表征

图4壳聚糖水凝胶的取向结构表征

此外，通过组装5层超薄取向性壳聚糖水凝胶膜，构建了具有Bouligand结构的分层水凝胶（图5）。该水凝胶在成分（纯壳聚糖）、结构（Bouligand型）、性能（机械强度：28.2 ± 2.0 MPa，含水量：70.4 ± 3.0%）和外观（透明）方面与龙虾腹部软膜非常相似。其抗冲击性能达6.8 ± 1.0 kJ m^-1，优于龙虾壳（0.4 kJ m^-1）和一些通过其他仿生策略设计的抗冲击材料（PVA/GO水凝胶2.1 kJ m^-1，纤维素凝胶/丝纤维3.1 kJ m^-1）。该工作为高性能聚合物水凝胶的设计提供了新视角。

图5仿生龙虾腹膜抗冲击水凝胶的设计与表征

上述研究成果以“Hydrogel Films with Impact Resistance by Sacrificial Micelle-Assisted Alignment”为题在线发表于期刊《Advanced Science》上。该研究工作由武汉大学完成，武汉大学资源与环境科学学院博士研究生张静贤为论文第一作者，武汉大学资源与环境科学学院施晓文教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委对该工作的资助。

论文信息：

Hydrogel Films with Impact Resistance by Sacrificial Micelle-Assisted Alignment

Jingxian Zhang, Xiaowen Shi*, Zhongtao Zhao, Manya Wang, Hongbing Deng, Yumin Du

AdvancedScience

DOI:doi.org/10.1002/advs.202409287

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202409287

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（责任编辑：xu）

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