高弹性双重网络结构氧化石墨烯/聚丙烯酰胺水凝胶

聚合物水凝胶是一种高含水量、具有三维网络结构的生物相容材料。其在药物载运和释放、外科医学的组织工程支架以及细胞培养基底材料等方面的应用引起了生物医学领域的广泛关注。然而,合成水凝胶在力学性能方面远不如软骨之类的天然生物凝胶,这在很大程度上限制了其在生物医用领域的实际应用。利用传统共价交联聚合方法制备的人工水凝胶存在交联点不规则且交联点之间的聚合物链长度不一的不利因素,当其受外力作用时聚合物链张力不等,短链容易先断裂,在宏观上表现为差的力学强度。目前已开发的具有良好机械性能的水凝胶主要是双网络聚合物水凝胶和复合水凝胶。尽管如此,发展新的策略和方法来制备具有特殊结构和优秀力学性能的新型水凝胶仍具有重要的理论和实际应用价值。

合肥工业大学从怀萍教授与中国科学技术大学俞书宏教授课题组发展了一种新型双网络结构的氧化石墨烯-聚丙烯酰胺复合水凝胶,表现出优异的抗压缩和拉伸的力学性能。在氧化石墨烯-聚丙烯酰胺复合水凝胶中,钙离子与氧化石墨烯纳米片上丰富的含氧基团(羧基、羟基和环氧基)之间通过配位键作用形成一重网络,聚丙烯酰胺共价链之间形成另一重网络,并且这两重网络由于聚丙烯酰胺链上的氨基和氧化石墨烯纳米片上含氧基团之间的氢键作用相互缠绕交联,进一步增强了水凝胶网络的强度和稳定性。当受到压缩或者拉伸作用时,通过氧化石墨烯网络中离子交联点的滑移,逐步、有效地吸收了所产生的断裂能,阻止了宏观裂纹的扩展;而聚丙烯酰胺共价网络起到了“断裂桥”作用,稳定形变,保持结构的完整性;并且这两重网络之间的氢键网络有利于保持水凝胶原有的状态。正是因为这种独特结构对外来应力的有效弛豫和稳定增强了水凝胶的力学性能。相比于聚丙烯酰胺水凝胶,氧化石墨烯/聚丙烯酰胺复合水凝胶断裂应力和拉伸应变都得到显著提高(分别从3.5 KPa, 160 %提高到143 KPa, 1100 %)。另外,在抗压缩性能测试中,聚丙烯酰胺水凝胶表现出易碎的特点,基本不能进行压力测试。而氧化石墨烯-聚丙烯酰胺复合水凝胶在压缩形变量设定为80 %情况下,200次压缩循环后,应力-应变循环曲线基本保持不变。

在本项工作中,研究人员设计的新型双网络交联结构实现了增强水凝胶力学性能的目的。而制备兼具力学强度、自修复响应性能且具有高保水性能的智能水凝胶仍是一项巨大的挑战。我们希望随着化学、材料学、生物学以及医学等学科进一步发展和交叉,制备出和天然生物凝胶相媲美的人工凝胶,实现其在生物医学领域的应用,造福人类。