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天工大高辉/李晓晖团队 AFM:多重非共价作用构筑高含水量、优异机械性能且动态可调的纯两性离子水凝胶

天工大高辉/李晓晖团队 AFM:多重非共价作用构筑高含水量、优异机械性能且动态可调的纯两性离子水凝胶 高分子科技
2024-08-01
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导读:为单网络两性离子水凝胶同时实现高含水量、优异的机械性能和动态可调性提供有效策略...
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两性离子水凝胶因其卓越的防污性和生物相容性而广受关注,成为生物医学应用的理想材料。其分子结构中两性离子部分通过静电诱导水合作用而结合大量水分子,使两性离子水凝胶具有高含水量、优异的生物相容性和低免疫原性。然而,水凝胶的高含水量往往会降低其机械强度。传统通过增加交联剂用量或与非两性离子材料共聚来提高凝胶机械强度的方法,不仅容易导致凝胶变脆和不可逆的损伤,还会影响其防污性。因此,在维持高含水量的同时,提升其机械性能并赋予动态可调性,对于拓展其在生物医学领域的应用至关重要。



近日天津工业大学高辉教授、李晓晖副教授团设计合成了一种新型含酰胺基脲基团的两性离子单体(ACBMA)。通过一步光固化过程,无需额外交联剂,成功制备出纯两性离子pACBMA水凝胶。该水凝胶不仅保持了高含水量(超过95%),还展现出优异的机械性能(压缩断裂应力达3.9 MPa),即使在 99%的压缩应变下也不会发生破裂。该研究以题为“Pure Zwitterionic Hydrogel with Mechanical Robustness and Dynamic Tunability Enabled by Synergistic Non-Covalent Interactions”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

这一结果源于独特的分子结构设计,pACBMA水凝胶有效地整合了多重非共价相互作用,包括酰胺基脲基团间的氢键作用、两性离子间的静电相互作用、分子链缠结作用和α-甲基的空间位阻效应。这些相互作用协同增强了水凝胶的力学性能,从而替代了传统的化学交联方法。研究团队进一步利用非共价相互作用的动态特性,开发了具有可注射性、成型性和可重塑性的pACBMA微凝胶。此外,研究还展示了pACBMA水凝胶在药物递送、细胞保护和3D打印等生物医学领域中的应用潜力。本研究为在单网络两性离子水凝胶中同时实现高含水量、优异的机械性能和动态可调性提供了一种有效策略,有望拓展两性离子水凝胶在生物医学中的应用。

1 具有优异机械性能和动态可调型的单网络纯两性离子pACBMA水凝胶构建示意图


 2 pACBMA水凝胶的含水量和力学性能。


 3 pACBMA水凝胶内的多重非共价相互作用研究。


 4 pACBMA微凝胶的制备及其动态可调性能。


 5 pACBMA水凝胶的防污性和生物相容性。


6 pACBMA水凝胶的潜在应用。


该论文第一作者为天津工业大学李晓晖副教授,通讯作者为天津工业大学高辉教授。天津工业大学为唯一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金的资助。本工作感谢康奈尔大学江绍毅教授提供的建议,硕士生吴宇对实验工作的协助,同时对天津工业大学分析测试中心、天津大学材料科学与工程学院和化工学院在分析测试方面提供的大力支持表示衷心感谢!


文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202409594


点击下方“阅读原文”可下载该篇论文


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