受水蛭启发的一种水凝胶-弹性体复合材料

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软材料由于其在生物医用、电子皮肤、柔性机器人等现代科技领域有潜在的应用价值被广泛关注。水凝胶作为软材料的一种具有高含水量、化学生物分子透过性、生物相容性以及可生物降解性等优点；弹性体则具有优异的机械性能以及在各种环境下表现稳定的性质。由于水凝胶与弹性体具有优势互补的特点，所以设计一种同时具有水凝胶与弹性体优势的材料将极大的拓宽其应用领域。一系列的水凝胶弹性体复合物通过界面结合的方式连接在一起，但存在界面结合力弱，质地不均一等缺点。通过简单的制备方法得到一种均质的水凝胶弹性体功能复合材料仍然是一大挑战。

受到自然界水蛭的启发，中科院成都生物研究所李帮经研究员团队与四川大学张晟教授团队联合报道了一种制备均质水凝胶-弹性体复合材料的方法。文章选用了具有疏水特性和低玻璃化转变温度的丙烯酸-2-甲氧基乙酯（MEA）作为单体与末端修饰双键的的普朗尼克胶束进行聚合，最后得到一种均质的、在干态和湿态下都具有优异的机械性能、良好的保水性和自愈合性能的水凝胶-弹性体复合物。

图1. 由双键修饰的普朗尼克胶束交联的水凝胶和干凝胶示意图

通过一锅法将不同分子量的功能化普朗尼克胶束作为交联点与MEA单体共聚得到了一系列水凝胶-弹性体复合材料。这些材料通过与化学交联的MEA（对照组）材料对比，具有质地均一，内部无团聚，无空腔的结构特点。值得一提的是由于该复合材料由弹性体作为三维网络骨架，所以对应的干凝胶在扫描电镜下呈现紧实的弹性体结构。

图2. (a) 对照组凝胶外观照片, ( b) 四种普朗尼克凝胶的照片; (c)对照组和( d) F108DA干凝胶的SEM图

在凝胶的吸湿性以及保水性方面，对照组凝胶在水中溶胀率只有16%，而通过两亲性普朗尼克胶束交联得到的复合物材料的溶胀率达到210%，并且在100%的湿度条件下，四种普朗尼克交联得到的材料的吸湿率为对照组的2倍以上。由于四种普朗尼克分子中PEO和PPO嵌段含量的不同，其吸湿性也出现了差异。通过保水性实验可知，F108DA凝胶比对照组凝胶的保水性更强，而且亲水的PEO嵌段在干态下会出现结晶，能够起到增强干凝胶机械性能的作用。

图3. (a)四种普朗尼克凝胶与对照组凝胶的溶胀率; (b)不同湿度下四种普朗尼克凝胶与对照组凝胶的吸湿率; (c) 40℃下对照组凝胶与F108DA凝胶的累积失水量; (d) 对照组凝胶与F108DA凝胶的DSC图

四种普朗尼克凝胶在湿态下表现出优异的形变回复能力以及弹性。在压缩应变达为85%时，应力能达到1.5兆帕，并且在应力释放后能够回复到初始的状态。在循环压缩测试中，普朗尼克水凝胶具有良好的抗疲劳性，而对比对照组凝胶，在循环压缩过程中，由于水分的流失，其机械性能出现了不稳定性。

图4. (a)在85%的压缩应变下，四种普朗尼克水凝胶与对照组水凝胶的应力-应变曲线；(b1)压缩至85%应变的F108DA水凝胶, (b2)压缩结束后的F108DA水凝胶，(b3)压缩结束后的对照组水凝胶; F108DA水凝胶在85%应变下的(c)循环压缩应力-应变曲线以及(e)应力-时间曲线; 对照组水凝胶在85%应变下的(c)循环压缩应力-应变曲线以及(e)应力-时间曲线

干燥后的普朗尼克凝胶表现出更强的机械性能，伸长率与对照组凝胶接近，为自身长度的4-5倍，强度高于对照组凝胶达到兆帕级。在最大应变为400%的循环拉伸测试中， F108DA干凝胶具有明显的能量耗散机制，在第一次循环中出现了较大的迟滞环，在接下来的几个循环中，表现出优异的抗疲劳性。压缩测试中，在90%的形变下F108DA的应力达到了惊人的66.9兆帕。

图5. 普朗尼克干凝胶与对照组干凝胶的(a)拉伸应力-应变曲线以及(b)对应的拉伸强度; (c)F108DA干凝胶在伸长率为400%下的应力应变曲线; (d)普朗尼克干凝胶在压缩应变为90%时的应力-应变曲线

以上成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.8b12886）上，论文第一作者为西南交通大学与中科院成都生物研究所联培硕士生冯俊峰，通讯作者为中科院成都生物研究所李帮经研究员，共同通讯作者为四川大学张晟教授与西南交通大学黄帅副教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsami.8b12886