【写作竞赛】高强度“智能”水凝胶的问世

水凝胶是含有大量水的固态交联聚合物材料。人工合成水凝胶,由于其在生物医药和水污染治理等诸多领域的潜在应用价值,一直以来受到科研工作者的广泛关注。一方面,科学家们致力于制备出对外界刺激有着多重响应性的“智能”水凝胶;另一方面,提高水凝胶的力学性能以满足多种用途也是科研工作者的努力方向。很长一段时间,这两方面的研究是各自独立的。近期,天津大学刘文广(Wenguang Liu)教授团队首次将这两个方面研究合并起来,开发出了有着pH刺激响应性的双重氢键高强度水凝胶。

研究发表在最新一期的《Macromolecular rapid communications》杂志上。研究中,作者开发出一种制备新型pH敏感高力学性能“智能”水凝胶的简单方法:将三种有紫外光(UV)聚合活性的单体——3-丙烯酰胺基苯硼酸、2-乙烯基-4,6-二胺基-1,3,5-三嗪和甲基丙烯酸寡聚(乙二醇)酯与交联剂N,N’-亚甲基二丙烯酰胺共聚,得到了无色透明的水凝胶。三种单体中,前两种分子中含有的功能结构单元可分别在酸性和碱性条件下形成分子间氢键,第三种单体用来调节水凝胶的亲水性。

根据文章中的数据,可知这种新型pH敏感“智能”水凝胶在很宽的pH范围内拥有着优良的力学性能,如高的抗张强度和耐压强度等。在pH为3、7.4和10.8时,水凝胶的抗张强度可以分别达到1.6 MPa、3.6 MPa和123 kPa;而其在酸性和碱性条件下的耐压强度也可以分别达到22和5 MPa。在有着高力学性能的同时,这种新型水凝胶也保持了良好的pH响应性,在pH分别为3和10.8的酸性和碱性环境下,水凝胶的平衡水含量(EWCs)分别为75%和92%,比其在pH为7.4的中性环境中的54%分别高出了21%和38%。

对于这种新型水凝胶在宽的pH范围内拥有优良力学性能的机理,作者解释称,在这种水凝胶分子结构中,除了化学交联点外,还有两种氢键形成的物理交联点,这两种氢键分别对酸性和碱性环境敏感,在酸性条件下,两种氢键中的一种离子化,导致此物理交联点被破坏,另一种则保留;在碱性条件下,这种物理交联点重新形成,另一个被破坏,在整个pH范围内,这种水凝胶至少保持一种氢键物理交联点的存在,物理交联点和化学交联点共同作用,使水凝胶拥有优良的力学性能。

这种新型pH敏感高力学性能水凝胶的诞生,使得水凝胶材料同时拥有刺激响应性和良好的力学性能成为可能,作者将氢键相互作用的超分子化学概念引入到水凝胶材料中,得到了性能更加优越的材料,对于超分子概念在材料领域的深入运用有着启发作用。这种新材料的产生有望拓展水凝胶在生物医药和工业领域中的应用。