Advanced Materials|具有增强扩散与机械性能的类海绵分层多孔水凝胶
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 Sponge‐Like 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。
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。
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。
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，且兼容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。
DOI: 10.1002/adma.202008235
Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008235