Advanced Materials:抗溶胀强韧水凝胶构筑新策略:溶剂置换调控非共价相互作用

以高分子为原料构筑的物理水凝胶由于制备过程不需要引入化学反应,无单体残留,因此具备更优的环境友好性和生物相容性,受到了广泛地关注。然而,物理水凝胶的机械力学性能和抗溶胀性能通常不理想,导致其应用大为受限。由于高分子构象的影响,分子链间的相互作用无法最大程度地体现,因此以高分子为原料的物理水凝胶中此问题尤为突出。增加分子链间相互作用有望大幅度提升高分子物理水凝胶的机械性能。

针对这一问题,中国科学院化学研究所邱东研究员和乔燕研究员课题组联合提出了通过溶剂置换改变非共价相互作用的时域表达来优化高分子链间相互作用和交联网络结构的策略,并成功制备了抗溶胀强韧水凝胶(exogel)。该策略的关键是在良溶剂中高分子链内/间非共价相互作用被抑制,有助于高分子链保持伸展的构象和均一的互贯穿分布,增加高分子链间接触;置换为不良溶剂后,高分子链间非共价相互作用被原位激活,形成均匀的高交联密度网络。研究团队以二甲基亚砜(DMSO)-水溶剂对为例,制备了聚乙烯醇(PVA)exogel。DMSO是更强氢键受体,将优先与PVA形成氢键,从而抑制PVA分子链内/间的氢键,有利于PVA保持伸展构象和均一分布;被水置换后,PVA链间氢键得以最大程度恢复,形成紧密均匀的网络。因此,PVA exogel的力学性能和抗溶胀性能均显著优于传统冷冻-解冻法制备的水凝胶(PVA cryogel)。此外,以水为终端溶剂驱动的溶液-凝胶转变使得PVA exogel具备对多种基材的水下粘附性能。

研究者认为此项工作对于高性能水凝胶的设计和制备具有指导意义,并可拓宽水凝胶在水下粘接、组织工程和软体机器人等领域的应用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202004579)上,并选为当期的Back Cover。