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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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[交流]
王星團(tuán)隊(duì)在可控雙交聯(lián)高強(qiáng)水凝膠領(lǐng)域取得新進(jìn)展
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2023-05-04 | 編輯： | 【大 中 小】【打印】【關(guān)閉】 水凝膠作為具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型高分子軟材料，在生物醫(yī)用、傳感器和電學(xué)器件等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，目前水凝膠材料仍面臨機(jī)械性能較差，結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控手段復(fù)雜等問(wèn)題，不能有效滿(mǎn)足復(fù)雜器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的功能需求。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇靈活性和顯著的增韌效果在構(gòu)建高強(qiáng)韌功能化水凝膠的研究進(jìn)展中備受關(guān)注，可逆物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的引入更是賦予了凝膠更豐富的特性，比如自修復(fù)性、刺激響應(yīng)性、可加工性以及可循環(huán)使用等。這種物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能夠精確有效地調(diào)控凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，促進(jìn)水凝膠材料在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用。 在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目的支持下，化學(xué)所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室王星等受雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠啟發(fā)，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)了鹽溶液浸泡法誘導(dǎo)殼聚糖形成可逆物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的策略，建立了簡(jiǎn)單、便捷、普適制備高強(qiáng)高韌雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的技術(shù)，有效地克服了傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)強(qiáng)度低、抗疲勞性差、吸水溶脹后強(qiáng)度劣化以及力學(xué)性能調(diào)控繁瑣的難題（Adv. Mater. 2018, 30, 1707071；Sci. China Chem. 2020, 63, 1793；Chem. Eng. J. 2021, 403, 126431；Carbohyd. Polym. 2022, 276, 118753），進(jìn)而發(fā)展出具有優(yōu)異生物相容和可降解的殼聚糖基水凝膠，構(gòu)建了組織工程水凝膠仿生支架，在骨、關(guān)節(jié)軟骨損傷的修復(fù)與再生方面取得了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化和骨、關(guān)節(jié)軟骨的缺損修復(fù)（Adv. Sci. 2022, 9, 2203734；Adv. Sci. 2022, 9, 2105571）；再利用穩(wěn)定、持續(xù)、低劑量的藥物緩釋技術(shù)調(diào)控骨缺損區(qū)域免疫微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了大面積口腔顱頜面骨缺損的修復(fù)與再生（Bioact. Mater. 2022, 11, 130；Bioact. Mater. 2022, 16, 47；Bioact. Mater. 2022, 7, 453；Bioact. Mater. 2023, 20, 194），這些研究工作為組織工程水凝膠支架的生長(zhǎng)進(jìn)程調(diào)控和功能重建奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。 最近，王星等利用光引發(fā)聚合制備殼聚糖/聚N-丙烯�；拾彼幔–S/PACG）復(fù)合水凝膠，通過(guò)一步浸泡處理實(shí)現(xiàn)了凝膠力學(xué)性能和溶脹性能的同步提高。在浸泡過(guò)程中，短鏈殼聚糖在一價(jià)/多價(jià)陰離子誘導(dǎo)下形成殼聚糖鏈纏結(jié)/離子交聯(lián)物理網(wǎng)絡(luò)，CS/PACG復(fù)合水凝膠轉(zhuǎn)化為雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。低價(jià)態(tài)金屬離子介入性地破壞聚N-丙烯酰基甘氨酸鏈間氫鍵，進(jìn)一步與PACG聚合物鏈中羧基形成離子絡(luò)合，使凝膠的力學(xué)性能顯著提高。凝膠表現(xiàn)出超高溶脹性，溶脹1天后體積可達(dá)到初始狀態(tài)的40500倍；此外，高價(jià)態(tài)金屬離子由于可以與羧基形成更強(qiáng)的三齒螯合結(jié)構(gòu)，因此復(fù)合水凝膠經(jīng)過(guò)Fe3+和Al3+無(wú)機(jī)鹽溶液浸泡可制備得到機(jī)械性能可調(diào)的抗溶脹梯度CS/PACG雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。羧基與三價(jià)金屬離子絡(luò)合在凝膠表面附近形成疏水致密層，通過(guò)改變金屬離子種類(lèi)可以調(diào)節(jié)致密層的特性，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性，溶脹1個(gè)月體積未有明顯變化，力學(xué)性能出現(xiàn)增強(qiáng)。由于不同金屬離子與羧基之間金屬配位絡(luò)合能力存在差異，因此簡(jiǎn)單地更換鹽溶液的種類(lèi)和浸泡順序就可以實(shí)現(xiàn)CS/PACG水凝膠從超溶脹狀態(tài)到抗溶脹狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)凝膠結(jié)構(gòu)和性能的靈活調(diào)控，有望在生物醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Sci. 2023, 10, 2206242，論文第一作者為竇雪宇博士，通訊作者為化學(xué)所王星副研究員和南方科技大學(xué)吳德成教授。 鹽溶液浸泡策略制備具有堅(jiān)硬“盔甲”的抗溶脹水凝膠 高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室 2023年5月4 |
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