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基于非共价键增强构建高强度水凝胶的最新进展
添加时间:2017-05-15 21:05:26  

近期,天津大学材料科学与工程学院刘文广教授课题组在著名高分子材料综述类期刊《Progress in Polymer Science》(IF=27.184)上发表了题为“Bioinspired fabrication of high strength hydrogels from non-covalent interactions”的综述文章,论文共同第一作者为王玮副教授和张银宇博士生。该文概述了基于非共价键增强构建高强度水凝胶的最新进展,重点凝练了刘文广教授近十年来在高强度水凝胶工作的研究成果,总结了非共价键作用对提高水凝胶的强度及其水环境稳定的重要性,并按照非共价键作用类型对凝胶的增强机理和应用进行了详细的解释与阐述,最后对高强度水凝胶未来的发展趋势进行了归纳与展望。

经过亿万年的进化,生物体为适应环境优化选择形成了许多独特的结构和功能。例如,水母和海葵的含水量虽然在90%以上,但它们的类水凝胶躯体仍具有良好的力学强度并且可以对环境的改变快速响应。同样,人体很多承载的软支撑组织(如肌腱,韧带,半月板和软骨)也是由水凝胶材质构成,并具良好的韧性和抗压性能。最新研究发现,分子间或分子内的非共价键作用驱动形成的介观或微观尺度的疏水聚集微区,不仅能够抑制这些类凝胶组织在水环境中过度溶胀,同时赋予这些水凝胶组织高强韧的力学性能。师法自然,许多课题组将非共价键作用引入水凝胶体系,使其具有高强、高韧、高弹、形状记忆,甚至可塑性等性能。

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根据非共价键作用类型大体上可分为五类,疏水相互作用(hydrophobic interaction),氢键作用(H-bonding interaction),离子络合交联作用(ionic coordination),偶极相互作用(dipole-dipole interaction)和静电相互作用(electrostatic interaction)。虽然非共价键作用的键能远小于共价键作用,但是在聚合物中多重非共价键的协同作用可形成稳定可逆的物理交联。在水凝胶网络承载时,物理交联作用首先发生断裂,为其网络耗散机械能,从而保护水凝胶网络的完整性并使其具有良好的力学承载性。得益于非共价键交联聚集微区的疏水性,这些化学交联的高强度水凝胶在水中能保持一定的含水量而不会过度溶胀,这使得凝胶在作用生物组织替代物上具有了很好的应用前景。

共价键-偶极/氢键协同作用的水凝胶网络体系中,偶极/氢键作用先于共价键断裂,耗散能量 (刘文广课题组. Adv Funct Mater 2015; 25: 471-80 )

利用这些非共价键的可逆性和对环境的刺激响应性,可以设计出各类刺激响应性的形状记忆水凝胶。由于刺激条件温和,形状记忆水凝胶可以应用于生物医学领域。

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偶极增强离子驱动的形状记忆水凝胶用于探索微重力对于干细胞分化的影响 (刘文广课题组. Sci Rep 2014; 4: 5815)

基于氢键单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1,3, 5-三嗪(VDT)增强的凝胶,也被用于可逆的细胞脱附,基于矿化的偶极增强凝胶能够促进大鼠的头盖骨修复 (刘文广课题组. Adv. Funct. Mater. 2017, 1604327)。

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VDT氢键增强水凝胶在细胞反向转染及无损脱附中的应用 (刘文广课题组. Adv Mater 2010; 22: 2652-6.)

基于侧链双酰胺氢键非共价交联形成的超分子聚合物水凝胶其交联点在适当条件下可以实现解离-重构,赋予凝胶自修复性能。

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氢键组装超分子聚合物水凝胶具有高强、高韧、易加工、自修复的特点 (刘文广课题组. Adv Mater 2015; 27: 3566-71)

综上,非共价键作用可以在水凝胶网络中形成介观或者微观的疏水微区增强并稳定水凝胶网络,通过合理设计可以构建具有形状记忆、自修复、易加工等性能的水凝胶体系。刘文广教授表示,高强度水凝胶的研究还处于初级阶段,水凝胶的生物相容性和大规模生产成为其走向商业应用的瓶颈。在层出不穷的高强高韧水凝胶中,鲜有水凝胶能达到肌腱等软组织需求的强度,完美的组织替代水凝胶仍需进一步探索;接下来的工作应主要集中于探索如何拓宽高强度水凝胶的应用范围。

论文链接:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670017300047