石河子大学AFM：应变诱导微相分离！可制备出强韧超分子水凝胶！

生物系统中的大多数结构都是生物柔性水凝胶，其通常具有从分子到宏观尺度的层次结构、丰富的物理化学性质和复杂的功能。例如，肌腱、肌肉和韧带等天然承重软组织的含水量高达≈50-70%，但在力学上仍然坚固耐用，寿命长。人工合成水凝胶是一种类组织软物质，它由水分子和亲水聚合物网络共同组成，同时具有固体和液体的一些性质。由可调的机械性能、刺激响应性、生物相容性和对不同化学和生物分子的渗透性，水凝胶在不同领域得到了大力发展，包括生物医学、柔性机器人、致动器和传感器、柔性电子等。然而，与生物体的生物水凝胶相比，具有简单组分和结构的合成水凝胶通常在力学上太软或太脆，因为它们的聚合物浓度低、含水量高并且网络结构不均匀，无法满足许多重要工程领域的机械性能要求。

为了突破强度、韧性或弹性方面的机械性能瓶颈，人们开发了各种制备强韧水凝胶的策略，例如双网络、具有可移动交联的滑环、自组装、疏水聚集、创建纳米晶畴、引入生物启发的各向异性结构等。然而，上述策略普遍侧重于通过分子工程来构建坚固和致密的聚合物网络，进而引入能量耗散机制，与此同时会牺牲高含水量特征、动态响应性甚至生物相容性。此外，由于水凝胶的柔软和湿润，传统的方法，如浇铸、模塑，无法生产出具有优异机械性能和复杂功能的个性化水凝胶机器，这也极大地限制了其实际应用。在此背景下，3D打印技术，特别是可以以自由形式制造复杂3D物体的还原光聚合3D打印（VPP 3DP），由于其高效、高精度和低成本，已广泛用于制造3D结构化水凝胶。然而目前，基于VPP 3DP的水凝胶的机械性能较差，这是由于聚合物链的宽分子量分布，以及在逐层制造过程中严重的氧抑制效应所导致的不完全反应过程。因此，开发具有优异机械性能的可打印水凝胶，并将其应用于制造各种具有潜在应用的功能性水凝胶机器，仍然是一个挑战。

鉴于此，石河子大学贾鑫教授团队联合中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员基于氢键能量最大化原理，通过共聚N-丙烯酰氨基脲（NASC）单体和丙烯酸（AA）单体，巧妙地构建了具有强韧性能的超分子聚合物水凝胶体系，该体系可以通过相转化诱导的多重氢键重建以及轻微的微相分离来实现加强。该水凝胶的机械性能优异，其极限应力为9.1±0.3 MPa，应变水平为1020±126%，韧性为33.7±6.6 MJ m-3，断裂能为171.1±34.3 kJ m-2。该氢键工程超分子水凝胶还具有动态形状记忆特性，即在低温下形状固定，加热后恢复。基于该水凝胶的生物支架可通过3D打印进行制造，并具有良好的生物相容性、承载性和药物洗脱性，可应用于生物医学领域。该研究以题为“Strong and Ultra-Tough Supramolecular Hydrogel Enabled by Strain-Induced Microphase Separation”的论文发表在最新一期《 Advanced Functional Materials》上。

基于氢键工程的超分子水凝胶和应变诱导的微相分离行为

氢键是自然界中最广泛、最普遍的分子相互作用。例如，DNA中的四个核苷酸，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），通过双或三氢键以碱基对的形式连接，构建完美的双螺旋结构，控制重要的遗传信息（图1a）。在这种情况下，尽管单个氢键的能量不是很突出，但双氢键和三氢键的形式可以显著提高系统的整体强度。在所有类型的氢键中，发现O-H···O的键能最高，达到≈29 kJ/mol（图1b）。因此，作者巧妙地设计了一种由大量O-H···O和O-H···N组成的超分子聚合物水凝胶系统（NASC和AA的多氢键单元）。密度泛函理论（DFT）也证实了NASC和AA之间的结合能为-49.60 kJ/mol，与其他水凝胶系统相比，这有利于形成强而稳定的水凝胶系统（图1c）。

图1. 基于氢键作用的超分子聚合物水凝胶。

作者将具有不同比例的NASC和AA在水凝胶中的浓度保持为25wt%。所得水凝胶分别编码为PNAx/y（x/y表示NASC和AA的重量比）和PNASC（仅NASC）。在拉伸试验过程中（图2a），PNA1/0.4水凝胶的拉伸强度可达5.8±0.5 MPa，伸长率为983.3±123.4%。水凝胶在伸长和收缩的循环中逐渐变白并熔化（图2a）。作者推测，水凝胶在大应变下的逐渐变白特征可能源于微相分离域的形成（图2b）。原因是超分子聚合物水凝胶中的线性聚合物链在拉伸过程中沿拉伸方向发生弹性变形和塑性滑移，导致微观结构从随机缠绕演变为有序排列。由于内部的能量耗散和聚合物链之间氢键断裂，微相分离域可以提高水凝胶的韧性。此外，如图2c所示，在撕裂实验中也可观察到类似的结果，其中水凝胶在破裂点变白。裂纹点处的微相分离畴会阻碍水凝胶基质中的裂纹生长，赋予了超分子聚合物水凝胶优异的抗撕裂性和缺陷不敏感性（图2d）。

图2. 应变诱导的水凝胶微相分离。

【超分子水凝胶的机械性能和温度响应性】

如图3a、b、c所示，处于溶胀平衡的PNA水凝胶具有优异的机械性能，远高于迄今报道的超分子聚合物水凝胶。通常，AA的量可以有效地调节PNA水凝胶从塑性到弹性的性能。原因是PNA水凝胶中的主要氢键相互作用主要在尿素和尿素基团之间，以及尿素和羧基之间。具体而言，具有低AA含量的PNA1/0.1水凝胶具有最高的氢键密度（主要以尿素和尿素基团的形式），但强度相对较弱和易碎。随着AA的量逐渐增加，氢键密度逐渐降低，但由于基体中的O-H··O氢键的形成，材料的强度逐渐增加。在AA含量增加的过程中，共聚链的亲水性也在增加，这提高了材料的水含量，降低了塑性，并增加了伸长率。PNA1/0.4水凝胶具有良好的强度和韧性以及983.3±123.4%的大伸长率。然而，PNA1:0.5水凝胶的机械性能显著下降，这可以归因于过量的亲水基团增加了水合作用并削弱了氢键相互作用。此外，拉伸疲劳测量证实了PNA1/0.4水凝胶具有良好的抗疲劳性能（图3d）。

图3. 超分子聚合物水凝胶的机械性能。

此外，氢键还赋予了超分子聚合物水凝胶温度响应性的动态特性，该特性由羧酸基团的羟基解离程度所决定（图4a）。羧酸的解离在低温下受到限制，在高温下加速，因此可以在微观层面上调节NASC和AA之间的氢键，并在宏观层面上控制水凝胶的机械性能。如图4b、c所示，当PNA1/0.4水凝胶在60°C下暴露时，由于羧基的离解，水凝胶中尿素和羧基形成的氢键被大量破坏，导致拉伸强度仅为2.2±0.3 MPa。然后，随着水凝胶的温度逐渐下降到25°C，由于羧基的反向解离，氢键重新形成，水凝胶的相应拉伸强度增加到9.1±0.3 MPa。当温度继续下降至5°C时，水凝胶的拉伸强度略微下降至7.1±0.6 MPa。

图4. 超分子聚合物水凝胶的温度响应行为。

【超分子水凝胶用于生物支架】

血管、冠状动脉、支气管、胆管狭窄和脑血管等器官狭窄是世界上日益普遍的人体健康风险之一（图5a）。支架微创介入治疗已被公认为是目前应对这一严峻挑战的最有效方法之一。目前，金属支架仍然是临床治疗的首选，但由于其生物相容性差以及无法满足特定功能，如智能反应、抗菌、药物加载和减少摩擦，其使用寿命十分有限。为此，作者通过PNA1/0.1水凝胶的DLP 3D打印来制造水凝胶支架。如图5b所示，水凝胶支架在60°C下被挤压成压实形状，用于氢键解离，然后在5°C下快速浸入水中，通过氢键重建进行形状固定。接下来，压实的水凝胶支架可以在加热到37°C后恢复到原来的形状。此外，3D打印的制造灵活性允许人们可以任意改变PNA水凝胶支架的尺寸，以适应不同血管的尺寸变化（图5c）。同时，作者还通过多次往复上述过程验证了水凝胶支架的稳定性以及不同尺寸支架的承压能力（图5d，e）。一系列实验结果表明该水凝胶支架具有良好的循环稳定性、承载能力、长期机械稳定性、良好的生物相容性（图5f、g）和血液抗凝性能（图5h）。

图5. 水凝胶支架的机械性能和生物相容性。

在血管内介入过程中，水凝胶支架需要有良好的润滑，以减少对器官和组织的损伤。由于该体系网络中的亲水基团形成了强氢键，而不是在超分子聚合物水凝胶系统中捕获水分子，这就导致了聚合物的低水合作用，进而引起了润滑不良。为了解决这个问题，作者通过将支架在1m NaOH溶液中浸泡10秒，分离水凝胶支架表面层上的氢键，使表面的亲水基团可以快速捕获水分子（图6a，b）。摩擦实验表明，处理后的支架的摩擦系数比未改性的低20-30倍。同时，改性后水凝胶的拉伸性能与PNA1/01水凝胶相似，这表明光滑水凝胶层的结构不会损害水凝胶的机械性能。通过利用水凝胶在渗透性和物质交换方面的优势，水凝胶支架也可以用作药物洗脱支架。作为范例，作者将酒石碱作为“药物”加载到打印的水凝胶支架上。然后，通过紫外-可见光谱进一步定量地分析了药物释放动力学。水凝胶支架可以在2、5和180分钟内分别释放17%、47%和98%的总药物（图6c）。该可控药物释放可以通过生物医学中的其他策略来进行进一步的设计。

图6. 水凝胶支架的植入和药物释放。

【小结】

该工作通过将NASC单体和AA单体共聚，开发了超分子聚合物水凝胶体系，通过相转化诱导的多氢键重建，增强了它们的强度。由于水凝胶独特的应变诱导微相分离行为，与使用其他机制制备的现有水凝胶系统相比，具有更优异的韧性和强度。它为制备强韧和超韧性水凝胶提供了一种新的策略。此外，所制备的水凝胶具有温度响应性的动态特性，其可由羧酸基团的羟基解离程度控制。最后，作者利用3D打印技术制造了定制的水凝胶支架，该支架在良好的生物相容性、承载性和药物洗脱方面具有明显优势。该具有超高韧性的结构化动态超分子聚合物水凝胶的3D打印技术可以在多种领域中被广泛应用。

文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210395

来源：高分子科学前沿

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