《Small》山东大学黄俊：自聚合的韧性+高缠结两性离子水凝胶！

Self-Polymerized Tough and High-Entanglement Zwitterionic Functional Hydrogels

DOI10.1002/smll.202405789

通讯作者：山东大学黄俊教授

文献链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202405789

两性离子水凝胶由于其防污性能和生物相容性，在生物医学应用中展现出巨大潜力。然而，纯两性离子水凝胶的单网络结构导致其韧性和强度较低，限制了其在生物医学领域的应用。本研究通过使用多巴胺氧化自由基聚合方法，制备了一种具有低交联剂含量和高单体浓度的缠结密度高的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯-多巴胺水凝胶。与普通两性离子水凝胶相比，SBMA-DA-PE水凝胶的拉伸断裂应力增加了5倍，压缩断裂应力增加了10倍。SBMA-DA-PE水凝胶具有优异的力学性能（最大压缩应力 ≥ 4.85 MPa，最大压缩应变 ≥ 90%）。此外，SBMA-DA-PE水凝胶中儿茶酚或邻醌之间的非共价相互作用，加上强烈的分子间静电相互作用，赋予了SBMA-DA-PE水凝胶良好的自愈合能力和抗疲劳性。SBMA-DA-PE水凝胶表现出低溶胀性并具有良好的防污性能。此外，该坚韧的SBMA-DA-PE水凝胶的良好可打印性和导电性为其开发生物3D支架和电子器件提供了新的可能性。总的来说，这项工作为制备具有高机械强度和多功能的生物医学应用两性离子水凝胶提供了新的见解。

两性离子水凝胶在润滑表面、抗菌涂层、药物递送载体和可穿戴设备等领域展现出了独特的优势和广泛的应用。然而，通常的结果是两性离子水凝胶的单网络结构和超亲水性导致了较低的机械强度和韧性。研究人员已经表明，通过使用光/热自由基聚合技术引入疏水单体或非两性离子组分，其物理性能得到显著增强。非两性离子组分的引入可能会降低两性离子水凝胶的防污性能。此外，两性离子水凝胶可能因光/热引发剂而遭受热损伤和生物毒性。因此，开发一种能够改善两性离子水凝胶力学性能并降低潜在生物毒性风险的新型制备方法对于满足临床需求至关重要。已有大量关于改善两性离子水凝胶力学性能的研究。最近，通过结合两种弱聚（羧基甜菜碱）和聚（磺基甜菜碱）两性离子水凝胶，制备了一种双网络两性离子水凝胶。动物植入实验证明，该水凝胶能够抵抗纤维囊形成长达一年。此外，通过掺入结构改良的单体制备了另一种两性离子水凝胶，显著增强了水凝胶的韧性和抗断裂性。另外，开发了一种用于预防术后组织粘连的盐敏纯两性离子水凝胶，表现出优异的抗蛋白吸附能力、生物相容性和可降解性。此外，一种聚（磺基甜菜碱丙烯酰胺）双网络两性离子水凝胶已被开发用于生物医学植入物，表现出优异的机械强度、卓越的生物相容性和抗血栓形成性能。再者，通过引入多巴胺包覆的液态金属纳米颗粒，创建了一种多功能两性离子水凝胶。该水凝胶表现出优异的机械强度、多样化的粘附性能、高导电性、光热转换性能、自愈合能力和出色的太阳能驱动蒸发性能。尽管两性离子水凝胶的研究取得了显著进展，但开发不需要光/热诱导聚合的高强度、低滞后和多功能的单网络两性离子水凝胶仍然是一个挑战。最近，Suo 的团队合成了一种坚韧的聚丙烯酰胺水凝胶，其缠结点显著多于交联点。该策略赋予了水凝胶高弹性、低滞后和低摩擦系数。受此启发，可以通过水凝胶网络内缠结点数远超过交联点数来制备具有高韧性和强度的特殊两性离子水凝胶。在另一项研究中，Zhang 等人报道了通过多巴胺触发的凝胶化策略合成了一种两性离子水凝胶，所得水凝胶已被用作类皮肤传感器来检测压力、应变和温度。然而，该水凝胶的机械强度和粘附性能相对较低。利用多巴胺的自氧化性质制备水凝胶已引起广泛关注。在氧化过程中，多巴胺的酚羟基被氧化为醌，醌可以参与形成半醌自由基，从而无需光/热引发剂即可参与聚合反应。多巴胺氧化聚合是环境友好且生物相容的，因为它避免了使用对生物组织有害的外部引发剂。此外，聚多巴胺可以促进分子间交联，增强水凝胶的结构稳定性，从而赋予其自愈合能力、导电性和药物释放功能。总之，通过引入密集的缠结点（数量超过交联点），可以制备具有优异力学性能的单网络两性离子水凝胶。在这项工作中，提出了一种简便的自引发聚合策略来制备高缠结磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯-多巴胺水凝胶。通过流变分析、压缩和搭接剪切粘附测试，系统分析了SBMA-DA-PE水凝胶的力学性能、自愈合能力和粘附性能。SBMA-DA-PE水凝胶的力学性能显著增强，这是因为水凝胶网络中的缠结点多于交联点。此外，本研究表明SBMA-DA-PE水凝胶内的非共价相互作用和静电力有助于其抗疲劳性和自愈合性能。此外，SBMA-DA-PE水凝胶还表现出低溶胀、盐响应性、防污和3D打印能力，这使得它们在药物递送系统、软体机器人和组织工程领域具有广阔的应用前景。总的来说，本研究展示了一种通过自引发聚合制备高强度、低溶胀、具有优异防污性能的纯两性离子水凝胶的简便有效方法，为功能性两性离子水凝胶的开发提供了新的选择。

图 1 高缠结水凝胶的制备与表征示意图。(a) PSBMA 水凝胶的 UV 引发制备。(b) SBMA-DA-PE 水凝胶的自引发聚合。(c) SBMA-DA-PE 水凝胶自引发聚合的制备示意图。(d, e) RH-PSBMA、PSBMA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的压缩应力-应变和拉伸应力-应变曲线。

图 2 SBMA-DA-PE 水凝胶的表征。(a) 随着 SBMA 单体浓度增加的纯-SBMA 水凝胶的光学照片。(b) SBMA₂₀%-DA-PE 和 SBMA₆₀%-DA-PE 中粘度随时间的变化。粘度测试重复三次。(c) SBMA₂₀%-DA-PE 和 SBMA₆₀%-DA-PE 中 G′ 和 G″ 随时间的变化。(d) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的 FTIR 光谱。(e) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶在浸泡于去离子水和 1×10⁻³ M NaCl 溶液前后的光学图像。(f) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的交联网络示意图。

图 3 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的力学性能。(a) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的压缩应力-应变曲线和压缩应力。(c) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的拉伸应力-应变曲线和拉伸应力。(e) SBMA-DA-PE 水凝胶在不同拉伸应变下的循环拉伸应力-应变曲线。(f) PSBMA 水凝胶在 ε=100% 下 100 次加载-卸载循环中拉伸应力随时间的变化。(g-i) SBMA-DA-PE 水凝胶在 ε=200% 下 100 次加载-卸载循环中拉伸应力随时间的变化。(j) 带有 45 mm 预切口的 SBMA-DA-PE 水凝胶的拉伸。(k) SBMA-DA-PE 水凝胶与先前报道的两性离子水凝胶的压缩和拉伸断裂应力比较。

图 4 水凝胶的流变和自愈合性能。(a) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的应变振幅扫描测试。(b, c) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的频率测试。(d) 对 DA 含量为 0%、7.5% 和 15% 的 SBMA-DA-PE 水凝胶进行应变振幅扫描测试。(e, f) 对 DA 含量为 0%、7.5% 和 15% 的 SBMA-DA-PE 水凝胶进行频率测试。(g) 制备的 SBMA-DA-PE 水凝胶在 60 秒内的愈合过程并能承受拉伸。(h) 通过在 1% 和 1500% 应变下进行动态应变振幅循环测试来检验 SBMA-DA-PE 水凝胶的自愈合特性。(i) SBMA-DA-PE 和愈合 60 秒后的 SBMA-DA-PE 水凝胶的拉伸应力-应变曲线。流变测试重复三次。

图 5 SBMA-DA-PE 水凝胶的粘附性能。(a) SBMA-DA-PE 水凝胶在搭接剪切粘附评估中的图像，可举起 2 公斤重物。(b, c) SBMA-DA-PE 水凝胶在不同基底上的粘附强度曲线和粘附强度。(d) 通过进行 10 次连续搭接剪切粘附测试来确定 SBMA-DA-PE 水凝胶的粘附耐久性。(e) SBMA-DA-PE 水凝胶对各种材料（包括橡胶、树脂打印件、PDMS、PTFE、导管、玻璃和木材）的粘附性能。(f) SBMA-DA-PE 水凝胶的粘附机理示意图。(g) SBMA-DA-PE 水凝胶与其他两性离子水凝胶在机械强度、粘附强度和自愈合能力方面的比较。搭接剪切粘附测试重复三次。

图 6 SBMA-DA-PE 水凝胶的盐响应性。(a) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水、0.1×10⁻³ M 和 1×10⁻³ M NaCl 溶液中溶胀前后的光学照片。(b, c) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水、0.1×10⁻³ M 和 1×10⁻³ M NaCl 溶液中的溶胀比和尺寸比。溶胀测试重复三次。(d, e) SBMA-DA-PE 水凝胶盐溶过程的示意图。(f) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水中罗丹明 B 吸光度的曲线。(g, h) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水、0.1×10⁻³ M 和 1×10⁻³ M NaCl 溶液中罗丹明 B 的释放速率。释放测试重复三次。(i, j) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水、0.1×10⁻³ M 和 1×10⁻³ M NaCl 溶液中的摩擦系数曲线。(k) SBMA-DA-PE 水凝胶在去离子水、0.1×10⁻³ M 和 1×10⁻³ M NaCl 溶液中的摩擦系数。

图 7 SBMA-DA-PE 水凝胶的防污性能。(a) SBMA-DA-PE 水凝胶防污的示意图。(b) SBMA-DA-PE 水凝胶表面的水接触角和油下接触角。接触角测试重复三次。(c) 接触润滑油后，油滴在 2 秒内自发从 SBMA-DA-PE 表面分离。(d, e) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶上 BSA 的吸附。蛋白吸附测试重复三次。(f) 使用荧光显微镜观察 PDMS、纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶表面的 BSA 吸附。比例尺为 100 μm。(g) 与 NC 组相比，SBMA-DA-PE 水凝胶处理后的抗菌粘附率。比例尺为 4 cm。(h, i) 纯-SBMA、SBMA-DA 和 SBMA-DA-PE 水凝胶的生物相容性评估。

图 8 SBMA-DA-PE 水凝胶的实际应用。(a) SBMA-DA-PE 水凝胶用于 3D 打印的示意图。(b) 在 60、90 和 120 分钟的不同预交联时间下测试 SBMA-DA-PE 水凝胶前体溶液的粘度。(c) SBMA-DA-PE 水凝胶的可打印性。(d) 各种 3D 结构的打印。比例尺为 10 mm。(e, f) SBMA-DA-PE 水凝胶涂层制备方案以及裸玻璃基底和 SBMA-DA-PE 水凝胶涂层润滑性的比较。(g) SBMA-DA-PE 水凝胶涂层和玻璃基底的摩擦系数曲线。(h) 光学图像显示 SBMA-DA-PE 水凝胶保持其导电性（在 200% 应变下）。(i, j) SBMA-DA-PE 水凝胶传感器在不同外部应力下的相对电阻变化。

总之，我们开发了一种不依赖光/热引发聚合的高缠结 SBMA-DA-PE 水凝胶。SBMA-DA-PE 水凝胶增强的力学性能归因于其缠结数量超过交联点，与 RH-PSBMA 相比，压缩断裂应力增加了 10 倍，拉伸断裂应力增加了 5 倍。通过将 SBMA 浓度提高到 60 wt% 并利用多巴胺作为聚合引发剂和动态交联剂，合成了具有共价交联和强静电相互作用的 SBMA-DA-PE 水凝胶。SBMA-DA-PE 水凝胶表现出优异的力学性能（压缩应力 ≥ 4.85 MPa，压缩应变 ≥ 90%）、抗疲劳性和自愈合能力（5 分钟内自愈合率达 60%）。此外，SBMA-DA-PE 水凝胶具有防污性能（蛋白质和细菌抗粘附率分别为 95% 和 98%）和润滑性能（摩擦系数 < 0.02）。此外，SBMA-DA-PE 水凝胶表现出盐响应性、可打印性和导电性，这使其在智能材料、软体机器人和生物医学工程领域具有广泛的应用潜力。本研究提出了一种制备自粘附、自愈合、坚韧且功能化的 SBMA-DA-PE 水凝胶的简便策略。在未来的研究中，可以使用表面力仪和原子力显微镜研究 SBMA-DA-PE 水凝胶涂层的界面粘附机理和水下稳定性。