《Macromolecules》华南理工大学王涛/孙尉翔/童真:pH响应/形状记忆/自增强/快修复/两性/聚电解质水凝胶

【科研摘要】

坚韧的 两性电解质水凝胶 由于其良好的机械强度，形状记忆和自愈特性而备受关注。然而，传统的坚韧的两性电解质水凝胶仅具有盐响应性，并且自修复通常需要很长时间或需要额外的处理。此外，在制备过程后使用期间，水凝胶的自增强对于水凝胶是必不可少的。最近， 华南理工大学 王涛副研究员 / 孙尉翔副研究员 / 童真教授 团队将 弱阳离子单体引入到聚两性电解质水凝胶体系中，并与强阳离子单体和强阴离子单体共聚 ，使总阳离子单体与阴离子单体之间的摩尔比相等。

水凝胶可以将暂时的形状固定在HCl溶液中，并在NaOH溶液中恢复到原始形状。 有趣的是，通过交替浸入HCl和NaOH溶液中，水凝胶显示出自增强的能力 ，并且拉伸强度连续提高至所制备的拉伸强度的十倍，这提出了一种增强聚两性电解质水凝胶的新策略。此外， 水凝胶仅需接触即可在5分钟内显示出快速的自愈能力 ，而无需任何额外的处理。因此，设计了可愈合的模拟血管和导电水凝胶装置。具有形状记忆，自我增强，自我修复和导电性的本发明的两性电解质水凝胶为在可穿戴电子设备，柔性设备和软机器人领域中开发新材料提供了一种新颖的策略。相关论文以题为 Unique Self-Reinforcing and Rapid Self-Healing Polyampholyte Hydrogels with a pH-Induced Shape Memory Effect 发表在《 Macromolecules 》上。

【科研摘要】

图1.制备两性电解质水凝胶的合成方法（a）和反应式（b）。

图2. 2.1-7/3水凝胶的形状记忆照片： （b）用0.5 M HCl固定2分钟的临时形状；（c）在0.5M NaOH中恢复形状10分钟。

图4. 打开水凝胶盒（a1-a5）和由2.1-7/3水凝胶制成的水凝胶花（b1-b5）开花的照片，该水凝胶浸入0.5 M NaOH中指示的时间。

图5. 拉伸后的2.1-7/3水凝胶的拉伸应力-应变曲线（a），储能模量G'（实线符号）和损耗模量G''（空心符号）（b）和有效网络链密度N（c） 规定的浸泡：（1）制备的水凝胶；（2）浸入0.5M HCl中2分钟后；（3）在0.5 M HCl中浸泡2分钟，然后在0.5 M NaOH中浸泡10分钟。

图6. 交替浸入0.5 M NaOH和0.5 M HCl期间，聚两性电解质水凝胶的交联结构示意图。

图9. 2.1-7/3水凝胶的自我修复： （a）切割的样品；（b）5分钟后自愈的水凝胶，无需在室温下进行任何外部处理；（c）在拉伸下愈合的水凝胶；（d）将水凝胶圈愈合六段；（e）重量为50克的愈合水凝胶条。水凝胶在表面上被着色以便于识别。

图12.自修复水凝胶管： （a）由2.1-7/3水凝胶片材制成的具有2 mm厚度的自修复水凝胶管；（b）切管；（c）治愈的管子；（d）红色液体流过愈合管；（e）局部放大愈合的部分。

图13. 2.1-7 / 3水凝胶在不同状态下与LED灯连接： （b）削减；（c）5愈5分钟；（d）复原的水凝胶的拉伸。

【总结】

团队通过弱阳离子单体DMAEMA和强阳离子单体MPTC与化学计量阴离子单体NaSS的共聚合成了pH响应型形状记忆聚两性电解质水凝胶。由于DMAEMA的质子化和去质子化作用， 水凝胶可以在HCl溶液中固定为临时形状，并在NaOH溶液中恢复为原始形状 。最有趣的是，水凝胶具有独特的自增强能力，即在交替浸入HCl和NaOH溶液中五个周期后，其抗张强度提高到所制备的 抗张强度的十倍 。增强后的拉伸曲线的应变硬化通过粘弹性应变硬化模型进行拟合。

TOC.

结果证实了水凝胶的自增强作用是由于DMAEMA组分的物理老化和电离作用而导致的HCl相分离所致。此外， 水凝胶在接触5分钟后无需任何其他处理，即可表现出快速的自我修复能力，治愈率约为70％。展示了可修复的水凝胶管和导电水凝胶设备的潜在应用。 本发明的多两性电解质水凝胶为在人造血管，柔性可穿戴设备和软机器人领域中开发新材料提供了新的可能性。

参考文献 ： doi.org/10.1021/acs.macromol.0c02657

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