石河子大学/中科院兰州化物所贾鑫、王晓龙团队 AFM：超强韧水凝胶设计新策略 - 应变诱导微相分离

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大多数生物体包含着各种软组织，它们通常具有从分子到宏观尺度的多级结构、丰富的物理化学特性以及复杂的功能性等，例如，肌腱、肌肉和韧带等。这些天然组织具有较高的水含量(50-70%)，但同时表现出优异的强韧性，能够承受百万次兆帕量级的应力加载。人工合成的水凝胶是一类重要的软物质材料，由于其整合了固体和液体的性质，使其在构筑传感、柔性电子、驱动、涂层、光学、集水等领域的功能器件和机械设备方面受到广泛的关注。然而，具有简单组分和结构的合成水凝胶与天然生物组织相比，因其较低的聚合物密度、高含水量以及不均匀的网络结构等因素而导致机械性能较差，使其无法满足许多重要工程领域的应用需求。因此，设计具备结构化高强韧的人造水凝胶是目前软物质设计领域的难点和热点。

近期，石河子大学/中科院兰州化物所贾鑫、王晓龙团队以发展结构化超强韧水凝胶为目标，受生物体中广泛的氢键作用启发，利用超分子组装的基本科学理念，通过相转化诱导氢键重构，巧妙地设计并制备了具有高氢键能的超分子聚合物水凝胶。结果表明，所制备的水凝胶表现出独特的应变诱导微相分离行为，赋予该水凝胶优异的强韧性能，其断裂强度、断裂伸长率、韧性和断裂能分别达到9.1±0.3 MPa，1020±126%，33.7±6.6 MJ m⁻³和171.1±34.3 kJ m⁻²；其次，该水凝胶还具备温度敏感的动态形状记忆特性。借助光固化3D打印技术制备的超分子水凝胶生物支架，在满足个性化定制、优异的承载性能、生物相容性的同时，还具备良好的药物洗脱性。总之，该结构化的超强韧动态水凝胶在生物医用材料及其他领域具有较大的应用潜力。

图1. 超分子共聚水凝胶的氢键设计及制备原理

通过N-丙烯酰基氨基脲（NASC）和丙烯酸（AA）单体的自由基共聚，制备了一种具有大量氢键（O-H…：O和N-H…：O）构成的聚N-丙烯酰基氨基脲-丙烯酸超分子水凝胶（PNA），计算结果进一步表明该水凝胶体系具有高的氢键结合能。事实上，由于强氢键相互作用导致的严重相分离，使得NASC和AA很难在纯水中形成均匀的水凝胶网络结构。为此，引入二甲基亚砜（DMSO）破坏氢键结构，然后再通过相转化诱导氢键重建，最终形成超强韧的物理交联PNA水凝胶（图1）。

视频1

图2. 水凝胶的应变诱导微相分离

水凝胶在被拉伸过程中的逐渐发白（视频1），这由于水凝胶中的线性聚合物链段在被拉伸过程中发生弹性变形和塑性滑移，导致聚合物网络从无规线团演变为沿拉伸方向的有序排列，并在链间的强氢键作用力的辅助下，形成微相分离域结构。通过原位小角度X射线散射（SAXS）可以看出，当应变逐渐增加时，散射峰的半峰宽逐渐变宽和增强。PNA水凝胶优异的强韧性来源于应变诱导的微相分离结构（图2）。

图3.水凝胶的机械性能

PNA水凝胶具有优异的机械性能，通过与各种类型的水凝胶、软骨以及天然橡胶的断裂能和断裂强度进行比较得出，光固化3D打印的PNA水凝胶具备了优异的拉伸强度的同时，还能具备超高的断裂能（171.1±34.3 kJ m⁻²），优于大多数之前所报道的韧性水凝胶、生物组织以及天然橡胶（图3）。

图4.水凝胶的温度刺激响应行为

视频2 

此外，如图4所示，由于PNA水凝胶中羧基在不同温度下的解离程度不同，而使得PNA水凝胶还具备优异的温度刺激响应行为，水凝胶在高温下氢键破坏，低温下氢键重构。3D打印的超材料结构的PNA水凝胶在高温下压缩并在低温下固定，然后加热后恢复至原始状态，并可以支撑起100g重量的砝码（视频2）。

图5.水凝胶支架的力学性能和生物相容性能

其次，通过光固化3D打印制备了水凝胶生物支架。结果表明，该水凝胶支架具有良好的压缩循环稳定性、承载能力以及长效的机械稳定性，还具有优异的细胞以及血液相容性（图5）。

视频3

图6. 体外模拟水凝胶支架的植入和药物释放过程

通过体外模拟水凝胶支架的植入病变处验证了其可行性。将水凝胶支架压缩并与医用导丝相固定，当水凝胶支架通过医用导丝递送到指定位置时，支架随着温度升高而逐渐展开（视频3），与传统依靠气囊辅助的支架植入相比，该温度响应性水凝胶支架可以在植入后自主打开（图6）。

相关研究成果以“Strong and Ultra-Tough Supramolecular Hydrogel Enabled by Strain-Induced Microphase Separation”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。石河子大学/中科院兰州化学物理研究所联合培养博士生吴家宇为本文第一作者，石河子大学贾鑫教授、中科院兰州化学物理研究蒋盼助理研究员和王晓龙研究员为本文通讯作者。

文章信息：

Jiayu Wu, Zhixing Zhang, Zhenyuan Wu, Desheng Liu, Xingxing Yang, Yixian Wang, Xin Jia*, Xin Xu, Pan Jiang*, and Xiaolong Wang*, Strong and Ultra-Tough Supramolecular Hydrogel Enabled by Strain-Induced Microphase Separation, Advanced Functional Materials, 2022, 2210395.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202210395

研究团队简介

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王晓龙，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员，3D打印摩擦器件组组长，博士生导师，石河子大学“绿洲学者”讲座教授。中国机械工程学会增材制造分会委员，甘肃省材料学会理事，《Coatings》和《摩擦学学报》编委。主持国家自然科学基金重点项目，面上项目，中科院“西部之光”人才培养计划重点项目等。在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Chem. Eng. J.等国际著名期刊发表学术论文100余篇，获授权中国发明专利20余件、美国专利2件。曾获2021年IAAM Scientist Award（国际先进材料协会科学家奖），甘肃省专利奖一等奖1项。发展了梯度光固化增材制造系统、3D打印聚酰亚胺、3D打印结构化功能水凝胶，3D打印弹性体、通用型3D打印光敏树脂并完成了技术成果的转移转化，与甘肃普瑞特科技有限公司、义乌新光树脂等高新企业达成了战略合作关系。

贾鑫，男，1976年出生，博士，教授，博士生导师，中国化学会高级会员，中国化学会农业化学专业委员会委员，青年化学工作者委员会委员，石河子大学学报副主编，石河子大学 “3152”领军人才，中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室客座教授。并获得中央组织部会同教育部、科技部、中科院共同启动的“西部之光”优秀访问学者（“西部之光”人才培养计划实施20周年之际，每省1名），新疆生产建设兵团科技进步二等奖(自然学科最高奖项)，新疆生产建设兵团维稳戍边劳动奖章，NSFC-新疆联合基金优秀本地青年人才等荣誉称号。现从事的研究领域为功能高分子的设计及合成、控制释放技术、材料表界面修饰及高分子材料在农业中的制备及应用。近年来主持国家自然科学基金及省部级课题11项，申请国家发明专利20余件，以第一作者或通讯作者在Chemical Science, Applied Catalysis B: Environmental，Journal of Materials Chemistry A, Carbon, Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces, Macromolecular Rapid Communications等高水平SCI杂志收录文章60余篇。

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