川师大赵丽娟教授、川大吴锦荣教授 AFM：铁离子诱导设计多级动态网络制备仿生柔韧水凝胶

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设计具有类似生物组织应变硬化、强韧且柔软、多重响应和高含水量等综合性能的水凝胶材料有利于其在软机器人、生物医学工程和可穿戴设备等新兴领域的应用。然而，目前很难在单一的水凝胶网络中集成这些性能，例如强韧的水凝胶往往具有高的模量；应变硬化的水凝胶通常具有较弱的机械性能。因此，开发具有类似柔韧生组织一样综合特性的仿生应变硬化水凝胶是一个巨大挑战。

近期，四川师范大学赵丽娟教授和四川大学吴锦荣教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“Compliant and Robust Tissue-like Hydrogels via Ferric Ion-induced of Hierarchical Structure”的论文。本论文利用铁离子同时诱导盐析和配位交联策略设计出多级水凝胶结构，包括偶极-偶极相互作用连接的卷曲链、富含丙烯腈（AN）单元的聚集体和均匀的铁离子配位交联作用。该设计允许水凝胶网络在小应变下通过展开卷曲链和富含AN单元的聚集体的弹性变形产生无应力变形，并在大应变下从弱到强依次打破偶极-偶极相互作用和铁离子配位交联作用，获得一种具有类似柔韧组织力学性能的水凝胶。

研究人员通过丙烯酰胺（AM）与丙烯腈（AN）、马来酸（MA）共聚，接着在氯化铁溶液中浸泡，最后在去离子水中完全溶胀，制备得到P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶。选择AN作为共聚单体的原因在于利用其作为可溶性单体在Fe³⁺的存在下会产生明显的盐析作用，盐析效应不仅形成了富含AN单元的聚集体，也导致相对伸展的聚合物链在氰基之间的偶极-偶极相互作用下变得卷曲。选择MA作为共聚单体的原因在于利用其强极性和顺式结构导致其难以均聚，从而在聚合物主链中以单个单元形式均匀排布，在Fe³⁺的存在下形成均匀的Fe³⁺-COO^-配位交联作用（Chem. Eng. J. 2020, 399, 125697）。基于上述策略设计的卷曲链、富含AN单元的聚集体和Fe³⁺-COO^-配位交联作用形成了一个多级的动态水凝胶网络，能够在外部载荷下逐级变形。因此，P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶体现出类似柔韧组织的综合性能：高含水量（~84%）、低弹性模量 (0.06 MPa)、高强度 (1.4 MPa)、高韧性 (5.1 MJ/m³)、优异的应变硬化能力(刚度增加27.5倍)以及良好的自恢复性能和耐疲劳性能。此外，基于偶极-偶极相互作用和铁离子配位交联作用的特点，水凝胶对应变、压力以及酸性和碱性气体具有多重感应能力。这种简单的多级动态网络设计可以为高性能应变硬化水凝胶的制备提供一种新方法。

图1. P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶的设计概念。

图2. P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶的网络结构与相互作用表征。

图3. P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶的力学性能。

图4. P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶的逐级变形机理。

图5. P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶的拉伸应变响应、压电响应及对酸碱气体的响应性能及应用。

四川师范大学王义博士为论文第一作者，四川师范大学赵丽娟教授、四川大学吴锦荣教授为论文通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划子课题（2022YFF0904002）、国家自然科学基金（52203013，51873110，51873133）、四川省重点研发项目（2021YFS0402）及高分子材料工程国家重点实验室开放课题基金（sklpme2022-4-09）的经费资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210224

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