机械鲁棒性的高透湿滑聚乙烯醇（PVA）水凝胶在人造生物软组织、柔性可穿戴电子产品和植入式生物医学器件中具有广泛的应用。然而，化学交联的PVA水凝胶由于稀疏的交联网络和高含水量机械强度和抗溶胀性差，而引入纳米结晶域（冷冻浇铸和冷冻-解冻）的PVA水凝胶虽然机械性能有所改善但透光性和润滑性能降低。目前，如何设计具备机械鲁棒性的高透湿滑PVA水凝胶，实现高透、强韧和湿滑等性能有机统一以满足其在生物和工程应用中的需求仍是巨大挑战。
鉴于此，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民院士/王晓龙研究员团队提出一种新的策略，即脱水收缩诱导的致密化、盐析诱导的聚集和再水化协同结晶，实现了PVA水凝胶优异机械性能、水润滑性能、抗蛋白粘附、生物相容性和载药与控释等多功能集于一体，并在隐形眼镜、可穿戴装置、生物医用材料等领域表现出较大的应用潜力。相关工作以Tough, Transparent, and Slippery PVA Hydrogel Led by Syneresis为题目发表于Small。
如图1所示，利用脱水干燥诱导PVA聚合物链的致密化以及随后的盐析效应快速诱导的强聚集和结晶以及再水化策略来实现具有高透明度和可调机械性能的湿滑PVA水凝胶。在脱水收缩过程中，聚合物网络的致密化为随后的盐析诱导的强聚集和结晶提供了预堆积的聚合物链，从而导致结晶域的形成。随后在“亲液”阴离子溶液中通过相分离进一步促进PVA链的结晶来增强结晶性。2D WAXS和SAXS证明湿滑PVA水凝胶存在纳米尺寸的结晶域，其可以作为刚性的高功能交联剂来增强和增韧湿滑的PVA水凝胶（图2）。
图1 机械鲁棒性的高透湿滑PVA水凝胶的制备示意图
如图3所示，湿滑PVA水凝胶的机械性能可以通过调节聚合物链的密度、聚集状态和结晶性来轻松调控（即聚合物浓度、盐析处理浓度和时间以及阴离子种类等），调控范围包括：机械强度9.03 ± 1.63~26.72 ± 1.05 MPa, 弹性模量1.58 ± 0.25~6.66 ± 0.29 MPa, 韧性11.03 ± 2.81~55.21 ± 1.62 MJ m−3）。通过与各种类型的PVA水凝胶和生物软组织（皮肤、软骨以及骨骼肌等）的机械性能比较得出，湿滑PVA水凝胶在具备优异拉伸强度的同时，还能具备超高的断裂能和机械韧性，优于大多数之前所报道的PVA水凝胶以及生物软组织。
如图4所示，这种机械鲁棒性的PVA水凝胶具有优异的光学性能（98%的透光性）、高的水含量（52~54%）以及优异的润湿性。此外，在水润滑条件下，这种机械鲁棒性的PVA水凝胶的摩擦系数可低至0.0081，表明这种湿滑PVA水凝胶具有优异的水润滑性能。与此同时，湿滑PVA水凝胶在长时间的滑动摩擦测试中仍具有优异的润滑性能，表明其具有显著的耐磨性和机械鲁棒性。因此，这种柔软且湿滑的PVA水凝胶在需要水润滑的可穿戴生物医学器械中具有巨大的应用潜力。
图4 湿滑PVA水凝胶的透光性、水含量、润湿性以及水润滑性能
由于湿滑PVA水凝胶具有优异的水润滑性能，使得湿滑PVA水凝胶可作为一种生物润滑界面的软组织接触材料，如图5所示，结合3D打印的透明隐形眼镜模具制造了湿滑PVA水凝胶隐形眼镜，该湿滑PVA水凝胶隐形眼镜具有优异的生物相容性、抗蛋白粘附性以及载药和药物控释功能。
图5 高透湿滑PVA水凝胶隐形眼镜的制造、生物相容性和功能性
相关研究工作日前以“Tough, Transparent, and Slippery PVA Hydrogel Led by Syneresis”为题在线发表在《Small》上。文章第一作者为中国科学院大学博士生刘德胜，通讯作者为中国科学院兰州化学物理研究所特别研究助理蒋盼博士、王晓龙研究员和刘维民院士。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、甘肃省科技厅和中科院等项目的支持。
文章信息：Desheng Liu, Yufei Cao, Pan Jiang*, Yixian Wang, Yaozhong Lu, Zhongying Ji, Xiaolong Wang*, and Weimin Liu*, Tough, Transparent, and Slippery PVA Hydrogel Led by Syneresis, Small, 2023, 2206819.
全文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202206819
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