ACS Nano|结合催化制备基于木质素的仿生的、坚韧的、可黏连的、自修复的、抗菌的水凝胶

大家好，今天推荐的是最近在线发表于ACS Nano上的一篇文章，题为“Combined Catalysis for Engineering Bioinspired, Lignin-Based, Long-Lasting, Adhesive, Self-Mending, Antimicrobial Hydrogels”，通讯作者是瑞典乌普萨拉大学的Samson Afewerki，Chao Xu，以及Maria Strømme教授。

海洋贻贝在潮湿的表面具有很强的吸附能力，研究发现这一特性主要依赖于其足丝的粘附蛋白，该蛋白含有大量的邻苯二酚结构。木质素也具有大量的邻苯二酚结构，是构成植物细胞壁的成分之一，是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质材料资源，也是芳香族化合物中少有的可再生资源之一，全球每年产量约5000万吨。本文作者基于木质素制备了仿生的水凝胶，以期获得可粘附材料。

图1. 水凝胶构成及原理示意图

作者将银铵离子（[Ag(NH₃)₂]⁺）与木质素混合，得到银-木质素纳米粒子，然后加入能够产生自由基的过硫酸铵（Ammonium persulphate，APS），以及聚丙烯酸（poly(acrylic acid)，PAA）。在APS的作用下，Ag⁺氧化成Ag²⁺，同时PAA脱羧形成共价交联的网络；另一方面木质素上发生醌-邻苯二酚氧化还原反应，银-木质素纳米粒子通过氢键与PAA共价交联网络相互作用，从而形成目的凝胶。

图2. 水凝胶的粘附作用

如图2所示，单纯的PAA水凝胶（乳白色）没有组织粘附作用，加入硝酸银而非银-木质素纳米粒子的水凝胶（黄色）也没有组织粘附作用。本文作者设计的水凝胶（棕褐色）粘附作用非常好，不仅在组织上有好的粘附作用，在手套上、玻璃瓶上、聚丙烯盖子上、不锈钢材料上，都具有粘附作用。

图3. 水凝胶的机械性能

该水凝胶（图3上）的机械性能也十分出色，即使压缩90%也能够恢复初始大小。单纯的PAA水凝胶（图3下）在同样的条件下，直接被压碎而无法复原。与此同时水凝胶的拉伸性能也很好，从初始的20 mm能够拉伸到40 mm，伸长100%而未发生断裂。

图4. 水凝胶的自修复效果

该水凝胶也具有自修复的能力。如图4所示，将水凝胶切成两瓣，再将其相互贴近，则立马发生自修复，又能形成一块完整的水凝胶。

此外，该水凝胶还具有一定的抗菌作用，作者推测可能是因为银离子的存在。作者也在3T3成纤维细胞上进行了细胞毒性实验，发现10 μg/mL的水凝胶几乎没有细胞毒性，100 μg/mL的水凝胶细胞存活率为70%。

综上，本文作者结合两种催化反应制备了基于木质素的仿生的、坚韧的、可黏连的、自修复的、抗菌的多功能水凝胶。

作者：HYL 审校：WH

DOI: 10.1021/acsnano.0c06346

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06346