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Advanced Materials|具有增强扩散与机械性能的类海绵分层多孔水凝胶

LH Group 吕华课题组 2022-05-16

大家好,今天为大家推送的文献是发表于Advanced Materials的一篇文章,标题为Tunable SpongeLike Hierarchically Porous Hydrogels with Simultaneously Enhanced Diffusivity and Mechanical Propertiess。本文的通讯作者是加利福尼亚大学洛杉矶分校的贺曦敏助理教授。

水凝胶因其高孔隙率和高含水量的特性,有望在软性机器人、药物递送、生物传感等领域得到广泛应用。然而,在实际应用中,水凝胶多孔的结构导致其受限于缓慢的扩散速率,进而阻碍了依赖孔-水界面传质或孔间水传输等设计的应用。

对于凝胶而言,其扩散系数能够表现为结构因子(ρ)、孔隙率(φ)和体积的函数。调节其孔径和孔结构能够直接影响其溶胀速率,进而适用于不同应用中,但增加φ往往会导致凝胶机械性能的降低,而调节ρ则会降低凝胶的总体积通量,影响其适用面。总之,目前缺乏一种能够同时提高凝胶的扩散和机械性能的通用手段。

前期工作中,研究人员利用共溶效应制备出了具有热响应溶胀性的凝胶结构。基于此,本文中作者提出了一种便捷快速的共溶光聚合体系,同时利用化学交联和共溶诱导聚合物塌陷,生成具有层次的相互连接的聚合物网络,得到的凝胶具有更优的溶胀率和杨氏模量。

作者以聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)凝胶作为示例(图1)。PNIPAM凝胶在纯溶剂中能够形成规则的闭合孔(闭孔)。而在特定的混合溶剂中,通过化学交联与共溶效应的诱导,则会形成高度互联的分层开放孔(开孔),宏观表现为白色不透明凝胶。

图1. 不同溶剂下PNIPAM凝胶的孔隙和宏观形貌

对于聚合物链而言,PNIPAM在纯溶剂中为线团结构,而在混合溶剂中则坍缩成小球(图2)。该现象目前被普遍认为是竞争性吸附的结果。即在DMSO-水混合体系中,吸附能力更强的DMSO率先于聚合物边界层表面饱和,整个聚合物表面疏水而坍缩成小球。这一过程与溶剂组成和温度相关。而当PNIPAM于交联体系中时,化学交联的存在将坍缩的结果固定,并最终形成开孔的凝胶。动态力学分析(DMA)结果表明,在混合溶剂中形成的开孔凝胶的杨氏模量提高了两倍,而溶胀率提高了六倍。此外,开孔凝胶也表现出更强的韧性。

图2. PNIPAM在不同溶剂比与温度下的性质形貌


凝胶应用受限的一个重要原因在于,其蒸发速率高于溶胀速率,因此无法长时间暴露于空气中,并最终导致性质劣化。而高扩散率的凝胶则可规避这一问题(图3)。在混合溶剂中制备的凝胶能够在空气中长时间自支撑,并能在失水后自行吸水。此外,这一共溶光聚合体系能够兼容3D打印,同时得到的结构具有迅速的温度响应特征

图3. 共溶光聚合凝胶的迅速吸胀和温度响应特征


此外,该共溶光聚合体系具有通用性。作者将这一体系扩展至聚丙烯酰胺(PAM)与聚(N-叔丁基丙烯酰胺)(PNTBAM)与PAM共聚物中,也能得到类似的开孔结构。

综上,本文开发了一种新型、通用的共溶光聚合技术用于合成具有分层结构的开孔凝胶,从而同时提高了凝胶的溶胀和机械性能。此外,得到的凝胶具有超快的水传输能力,且兼3D打印。该方法有利于拓宽凝胶的应用范围,有助于设计新型的多孔材料。


作者:ZZC    审校:HYH

DOI: 10.1002/adma.202008235

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008235

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