定量调控水凝胶在水溶液中的平衡溶胀比对于生物材料与生物传感器的设计至关重要。例如，水凝胶的溶胀对于药物输送和组织再生至关重要；水凝胶的塌缩可以驱动非侵入性伤口闭合；在组织粘接剂和生物传感器领域，体积恒定的水凝胶因其稳定的宏观尺寸和在水环境中稳定的物理性能而发挥着重要作用。传统调节水凝胶平衡溶胀比的方法是改变凝胶的化学组成或者改变外部环境如改变溶剂组分、pH、温度等。然而，目前还没有一种物理方法可以在不改变水凝胶的化学成分和外部环境的情况下来定量调节水凝胶的平衡溶胀比。
图1 带电水凝胶复合体系在不同溶液环境中的平衡溶胀比及示意图。
近期，中国科学院化学研究所贾迪研究员团队提出利用高分子的熵效应定量调控水凝胶的平衡溶胀比。通过在带电水凝胶中加入具有不同链长（即不同分子量）的带相反电荷的聚电解质链，在不同离子强度的溶液以及生物缓冲液中浸泡足够长的时间达到溶胀平衡时，其平衡溶胀比V/V0可以实现从塌缩态（V/V0 <1）到既不塌缩也不溶胀的等体积态（V/V0 =1）再到溶胀态（V/V0 >1），见图1。这里调控溶胀比的关键物理参数是聚电解质链长与凝胶网络的尺寸之比（D /ξ）。在熵驱动下，具有不同链长的聚电解质链的掺混会使其具有不同的拓扑复合结构，从而引发静电复合效应与唐南平衡之间的竞争，实现定量调控平衡溶胀比。此外，由于空间位阻效应，当聚电解质链长与凝胶网格尺寸相当时，即使在高盐浓度静电作用力被屏蔽的情况下，也存在溶胀平衡时的等体积态。
该方法实现了在不改变外部环境（如pH、溶剂组分、温度等）或者水凝胶化学组分（如交联剂浓度）的条件下，通过物理掺混具有不同链长的高分子链，即可定量调控其平衡溶胀比，以满足不同的凝胶材料设计需求，使得长期浸泡在水环境中的水凝胶体积可以恒定在材料设计所需的状态。例如，生物水凝胶传感器长期浸泡在缓冲溶液中需要其体积始终保持稳定不变。
此外，微小角中子散射（VSANS）测试结果表明该凝胶复合物具有仿射溶胀行为（Affine Swelling Behavior），即在溶胀前后凝胶的宏观尺寸变化与凝胶的微观结构尺寸变化是一致的。
图2 微小角中子散射（VSANS）表明带电水凝胶复合体系具有仿射溶胀行为。
该工作以“Tailoring Swelling Ratio of Smart Hydrogels by Utilizing Entropy-Driven Topologically Correlated Structures”为题发表在《Small》上（Small 2025, e08808；https://doi.org/10.1002/smll.202508808）。文章第一作者是中国科学院化学研究所博士生赵怡慧，通讯作者为中国科学院化学研究贾迪研究员。感谢中国散裂中子源设施微小角散射谱仪(https://cstr.cn/31113.02.CSNS.VSANS)的工作人员在数据收集和分析方面提供的技术支持和协助。该研究得到国家科技部重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202508808
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