一步浸泡法实现复合水凝胶向高强高韧双网络凝胶的转化

水凝胶具有三维的交联网络结构和可调控的物理化学性质,广泛地应用于组织工程、诊断学、药物控制释放等生物医用领域。然而,传统水凝胶普遍存在机械性能差、受力后疲软等缺点,这极大地限制了其在软骨、肌腱和韧带等承重软组织中的应用。

在水凝胶中引入能量耗散机制能有效提高水凝胶的机械性能。双网络水凝胶是由两种性能差异明显的非对称网络构成,其中刚性和脆性网络在凝胶变形的过程中可作为“牺牲键”断裂有效分散能量而柔软有韧性的网络则可在变形过程中保持水凝胶的完整性。不同于化学-化学交联的双网络水凝胶,混合物理-化学交联的双网络水凝胶由于可逆物理网络的瓦解-再交联行为,而具有突出的自恢复性能和优良的耐疲劳性能。因此,物理-化学交联的双网络水凝胶有望成为承重软组织的替代品。

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图一:将复合水凝胶转变为物理-化学交联双网络水凝胶的转变机制

近期,中国科学院化学研究所吴德成研究员团队发展了一种简单的浸泡方法实现了物理-化学杂化双网络凝胶的快速构建。他们将短链壳聚糖(在中性水中溶解度高)通过氢键结合到共价聚丙烯酰胺网络中制备了壳聚糖复合水凝胶,而后在碱性及盐溶液浸泡处理复合凝胶诱导壳聚糖微晶和链缠结物理网络的形成,获得了具有卓越力学性能的物理-化学双网络凝胶。该凝胶具有高的拉伸强度(约2 MPa),超高韧性(断裂能约10 kJ m−2),快速的自恢复能力,优异的负重能力、抗碾压性能和抗疲劳性能。

该浸泡方法是一种制备壳聚糖双网络凝胶的通用策略:各种化学交联网络和壳聚糖相结合的复合凝胶均可以通过不同类型的碱性溶液和盐溶液浸泡处理转化为高强高韧的物理-化学双网络凝胶。此方法将为物理-化学双网络水凝胶的制备提供了一种新思路,并有利于拓展双网络凝胶在抗菌材料、药物释放、组织工程的应用。

相关论文在线发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201601742),入选为6月Advanced Materials上的热点文章(文章页面访问量排在前十)。

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