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山东大学王旭教授课题组:化学养分供给调控高动力学稳定性水凝胶的瞬态修复能力
2020-02-24  来源:高分子科技

  动态稳定与自愈合是生命体的两个固有特性。而在合成材料中,高动力学稳定性与本征性自愈合能力则是两个渴望获得但却不易兼容的性能;这是因为这些材料的修复严重依赖于材料中可逆化学键或物理相互作用的永久动力学不稳定性。这不禁使我们想到了“鱼与熊掌不可得兼”的典故。那么合成材料的高动力学稳定性与本征性自愈合能力真的是“鱼”与“熊掌”的关系吗?

  受生命体时间上分级调控的伤口愈合过程启发,山东大学王旭教授研究组建立了一种以化学养分供给作为调控手段进而赋予高动力学稳定性高分子水凝胶材料以本征性自修复能力的方法(图1)。将脲酶与尿素预先安放在基于腙键的高分子水凝胶中;该水凝胶在低初始pH值下形成,而后基于生成碱性物质的酶促反应原位锁定已形成的腙键,从而制备具有高动力学稳定性的高分子水凝胶。当材料受损后,可在断面涂抹适量的化学营养物以通过瞬态解锁腙键进而促进材料的结构修复;当材料完成结构修复后,又可通过酶促反应自发地恢复材料原有的性质及性能(图2)。该修复方式不但可以修复材料的结构及机械性能,还可以完全恢复材料的均一性及高动力学稳定性等重要性质。该研究通过赋予高动力学稳定性材料以临时可修复能力的方式实现了“鱼”与“熊掌”的兼得。

图1. 动力学稳定水凝胶的本征性修复概念图。(a) 不同材料在受损后的修复能力:传统的高动力学稳定性水凝胶不能修复;传统的本征型自修复水凝胶可以基于动态化学键或物理相互作用以实现修复,但它们通常不具备良好的动力学稳定性;该工作中制备的水凝胶兼具本征性可修复能力与高动力学稳定性,这是通过调节材料的临时修复性能来实现的。(b) 生命体与合成材料在时间上分级调控的修复过程。

图2. 高动力学稳定性水凝胶的修复过程示意图。

  对于新一代具有高动力学稳定性的本征型可修复材料的设计,该论文提出了三点看法:(1) 材料的稳定性比可修复性更重要。如果一个材料不稳定,即便它具有好的可修复性能,其也很难被真正应用。举个例子,基于某种永久性可逆共价键制备的两个自修复手机屏幕,当屏幕受损后其确实可以实现“破镜重圆”;但当这两个手机屏幕接触后却再也无法分开。(2) 瞬态可修复性足以实现材料的修复。相比之下,基于永久动力学不稳定相互作用的修复则可能会降低材料的稳定性。(3) 在生命体中,适当的营养供应对于机体的修复是必不可少的,因此,向受损的材料添加化学养分以促进其修复是可取的方式。

  综上所述,该工作展示了一种先进的化学养分调节策略,在不牺牲材料动力学稳定性的前提下,赋予高分子水凝胶以本征性可修复能力。这一概念在基于腙键的高分子水凝胶体系中得到了很好的证明。利用这一策略不仅能够有效地制备基于腙键的高动力学稳定性高分子水凝胶,而且可在高动力学稳定性与本征性可修复能力之间取得恰当的平衡。该方法有望成为一种可靠且广泛适用的策略,赋予热力学稳定、动力学惰性材料以本征性自修复能力。

  上述成果以题目Bioinspired Self-Healing of Kinetically Inert Hydrogels Mediated by Chemical Nutrient Supply发表在期刊ACS Appl. Mater. Interfaces(2020, 12, 6471-6478)。论文通讯作者为山东大学国家胶体材料工程大发排列3研究中心王旭教授,第一作者为钟渊博,论文共同作者之一为山东大学胶体与界面科学研究团队带头人郝京诚教授。该工作得到了国家自然科学基金和山东大学齐鲁青年学者计划的资助。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b20445

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(责任编辑:xu)
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