高强度高韧性纯两性离子水凝胶的新发现
2024-08-06 10:52:11
水凝胶是物理或化学交联的亲水性聚合物网络，可保留大量的水，由于其与生物组织的高度结构相似性、可调的机械性能和优异的渗透性，被广泛应用于生物医学领域。然而，传统水凝胶在生物系统中存在高度的生物污垢，这大大限制了其用途。近年来，两性离子材料的发展解决了这一问题，该材料于20世纪50年代首次合成，是一种电中性但极性极强的两性材料，具有相同浓度的阳离子和阴离子基团。此外，两性离子具有独特的结构，可实现良好的离子传输、强大的水合作用和对外部环境条件（如pH、温度和离子浓度）的良好响应性，在生物植入物、储能、杀菌剂、生命传感器、靶向药物递送和废水处理等各种应用中都有着突出的前景。然而，传统的两性离子水凝胶由于含水量高、聚合物链密度低和接触弱，其机械性能往往较差，限制了它们的实际应用。例如，两性离子水凝胶的杨氏模量仅为几kPa至数百kPa，断裂能通常小于100 J m−2，这与生物组织更强的机械性能（如高承载能力）不兼容。此外，虽然可以增加传统两性离子水凝胶网络的交联密度以提高其机械强度，但材料的韧性不可避免地会减弱，因为这些水凝胶需要在强度和韧性之间进行固有的权衡。
近日，陈强研究员团队在高强度高韧性纯两性离子水凝胶的取得新发现，相关工作以New insights into pure zwitterionic hydrogels with high strength and high toughness为题发表在《Materials Horizons》(IF:13.183)。研究工作亮点有：1. 本工作发现水溶液中的可聚合两性离子单体在单体浓度≥50 wt%的高浓度下表现出独特的液-液相分离现象，从而产生具有高抗压强度（6.5 MPa）和高韧性（2.12 kJ m−2）的纯商业两性离子水凝胶。2. 液-液相分离和聚合物缠结的协同作用提高了纯两性离子水凝胶的机械强度、韧性、自恢复和防冻性能。3. 高度伸长但坚韧的两性离子水凝胶的高断裂能促进了高抗裂性，这支持了其在组织工程、软柔性器件和电子应用中发挥更大的作用，并提高了耐用性。
图. 两性离子水凝胶结构和液-液相分离的示意图。
我院科研人员尹海燕为第一作者，陈强研究员为通讯作者，本工作受到WIUCAS-象山医药转化中心项目和国科温研院重大项目的支持。
