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一种通用的方法,易于设计坚韧和可伸缩的水凝胶

时间:2021-07-22 12:18

A universal method to easily design tough and stretchable hydrogels

在NPG Asia materials的一份新报告中,Chisa Norioka和一组来自日本化学材料工程的科学家详细介绍了一种通用的方法,可以轻松制备坚韧和可伸缩的水凝胶,没有特殊的结构或并发症。他们调整聚合条件,以形成许多聚合物链纠缠的网络,以实现整个产生的材料的能量耗散。该团队使用高单体浓度和低交联剂含量的自由基聚合法制备了韧性和可拉伸的水凝胶,通过缠结和共价键优化物理和化学交联之间的平衡。该研究团队使用聚合物链缠结的能量耗散,以克服机械性能低的限制,用于广泛的水凝胶。

水凝胶

水凝胶由物理和化学上交联的聚合物网络组成,具有高含水量和低弹性模量的刺激响应行为,很像生物组织。因此,水凝胶作为生物材料在药物传递系统、生物传感器和细胞培养方面具有潜在的应用价值。虽然水凝胶柔软而有弹性,但它们也脆弱易碎,而标准的水凝胶可能会由于大变形而破碎。为了克服水凝胶的低机械性能,研究人员设计了网络结构。水凝胶在粘性和弹性特性方面都表现出粘弹性行为,因此Norioka等人关注于粘性特性。粘度允许施加的应力通过能量耗散而得到放松。研究人员制作了聚合物链密度高、交联剂之间分子量大的水凝胶网络,以便在整个材料中有效地能量耗散。在实验中,他们加入高单体浓度和低交联剂含量,形成许多纠缠的水凝胶网络,产生物理交联。为了证明这一策略,Norioka等人使用聚丙烯酰胺(PAAm)和聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸化胆碱)(PMPC)作为水凝胶的主链。

压缩试验中制备的PAAm水凝胶膜。在AAm浓度为5.0 mol/L,交联剂含量为(a) 0.005和(b) 1.0 mol%的条件下制备水凝胶。资料来源:NPG亚洲材料,doi:https://doi.org/10.1038/s41427-021-00302-2材料表征

该小组通过压缩和拉伸测试测试了所制备的PAAm水凝胶的力学性能。他们注意到,在聚合条件下形成的不均匀PAAm水凝胶,包含高单体浓度和低交联剂含量,比具有均相网络结构的水凝胶更加坚硬。同样,膨胀的PAAm水凝胶具有高单体浓度和低交联剂含量,也表现出高机械韧性和高拉伸性能。Norioka等人利用拉伸试验中的应力-应变曲线研究了水凝胶变得坚韧和可拉伸的机制。研究小组注意到,交联剂含量大于0.1%摩尔的PAAm水凝胶的韧性远远低于交联剂含量小于0.1%摩尔的水凝胶。他们根据弹性模量确定了水凝胶的实验交联密度,结果显示了聚合物链的缠结如何有助于提高PAAm水凝胶的高韧性,单体浓度为5.0 mol / l,交联剂含量为0.005 mol / l。

  • A universal method to easily design tough and stretchable hydrogels不同条件下制备的PAAm水凝胶的力学性能。(a-c)制备PAAm水凝胶压缩试验的应力-应变曲线。具有各种交叉l印克有限公司用AAm co .制备帐篷浓度a 1.0, b 2.5和(c) 5.0 mol/L。d交联l的PAAm水凝胶照片印克有限公司压缩试验中(i) 0.005和(ii) 1.0 mol%的浓度。水凝胶是在AAm co .下制备的浓度为5.0 mol/L。(例如)制备PAAm水凝胶在拉伸试验中的应力-应变曲线。采用AAm co .制备了水凝胶e 1.0, f 2.5, g 5.0 mol/L的浓度。(h)压缩和剪切试验期间膨胀的PAAm水凝胶的照片。用AAm co制备的PAAm水凝胶在水中膨胀至平衡浓度为5.0 mol/L, a × L印克有限公司含量为0.005 mol%。(i)拉伸试验时制备的PAAm水凝胶的照片。用AAm co制备了水凝胶浓度为2.5 mol/L和一个交叉L印克有限公司含量为0.005 mol%。资料来源:NPG亚洲材料,doi:10.1038/s41427-021-00302-2
  • A universal method to easily design tough and stretchable hydrogels不同交联剂PAAm水凝胶的韧性签署了结构。(一)关系Nship之间的交叉l印克有限公司不同制备条件下制备的PAAm凝胶的性能和韧性。凝胶是在AAm公司制备的ncentrations 1.0(○),2.5(◐)和5.0 mol / L(●)。(b)交叉l的影响印克有限公司帐篷在十字l上墨不朱比的实验与理论交叉l(νexp/νtheo)检测了PAAm凝胶在不同条件下的墨密度。(c)关系νexp/νtheo与不同条件下制备的PAAm凝胶韧性的关系。资料来源:NPG亚洲材料,doi:10.1038/s41427-021-00302-2

多用途实验策略

Norioka等人利用材料的粘性特性通过能量耗散来放松施加的应力。交联剂含量的降低提高了水凝胶的粘度对力学性能的贡献。该团队调整了存在许多缠结的网络制备条件,以开发坚韧和可伸缩的水凝胶。然后,他们进行了进一步的动态力学分析和同质性的工作,以详细检查机制。为了证明该策略的多功能性,Norioka等人使用生物相容性两性离子聚合物2-(甲基丙烯酰氧基)乙基磷酸化胆碱(MPC)来制备水凝胶。虽然该材料在隐形眼镜、人工关节和其他生物材料的形成方面有许多潜在的应用,但由于机械强度低,它们处于不利地位。科学家们将MPC和丙烯酰胺共聚,以一系列单体浓度和交联剂含量为基础,制备聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)(PMPC)。交联剂含量小于0.1%的PMPC水凝胶在高达95%的应变和6 mpa的应力下不会断裂;这个团队不能用刀切割这些材料。此外,由于拉伸强度大,具有许多纠缠态的PMPC水凝胶的断裂应变最高。因此,制备高单体浓度和低交联剂含量的水凝胶是制备韧性和延展性的普遍方法。由此产生的材料结构包含了许多基于聚合物链纠缠的物理交联,用于能量耗散。因此,该团队可以通过优化制备条件,在不使用复杂方法的情况下形成许多聚合物链缠结,轻松制备坚韧和可伸缩的水凝胶。

A universal method to easily design tough and stretchable hydrogels不同条件下制备的PMPC水凝胶的力学性能。(a)不同cross-l的PMPC水凝胶的应力-应变曲线 印克有限公司 压缩测试期间的帐篷。采用MPC co .法制备水凝胶 浓度为5.0 mol/L。(b)采用MPC co制备的PMPC水凝胶的应力-应变曲线 在拉伸试验中浓度分别为2.5、5和10 mol/L。水凝胶是用交叉l 印克有限公司 含量为0.1 mol%。(c)制备的带有cross-l的PMPC水凝胶照片 印克有限公司 (i) 0.1 mol%和(ii) 1.0 mol%压缩试验。水凝胶是在MPC公司制备的 浓度2.5 mol/L。(d)带有cross-l的制备PMPC水凝胶照片 印克有限公司 (i) 0.1 mol%和(ii) 1.0 mol%。水凝胶是在MPC公司制备的 浓度2.5 mol/L。(e)在拉伸试验中制备的PMPC水凝胶的照片。水凝胶是在MPC条件下制备的 浓度为5.0 mol/L, a × L 印克有限公司 含量为0.1 mol%。资料来源:NPG亚洲材料,doi:10.1038/s41427-021-00302-2

前景

通过这种方式,Chisa Norioka和他的同事介绍了一种不引入特殊结构也不采用复杂方法调整聚合条件的方法。该团队使用高单体浓度和低交联剂含量优化了合成材料。该策略适用于使用各种聚合物制备坚韧和可伸缩的水凝胶。这项工作将在生物医学和生物工程中带来许多实际应用。