一种轻松设计坚韧可拉伸水凝胶的通用方法

在NPG亚洲材料的新报告中Chisa Norioka和化学与材料工程学院的科学家团队详细介绍了一种通用方法，可轻松制备坚韧且可拉伸的水凝胶，而无特殊结构或复杂性。他们调整了聚合条件，以形成具有许多聚合物链缠结的网络，从而实现了整个所得材料的能量消散。该团队使用高单体浓度和低交联剂含量通过自由基聚合反应制备了坚韧且可拉伸的水凝胶，以优化通过缠结和共价键实现的物理和化学交联之间的平衡。该研究小组使用聚合物链缠结技术进行能量消散，以克服用于各种水凝胶的低机械性能的局限性。

水凝胶

水凝胶由物理和化学交联的聚合物网络以及高水含量和低弹性模量组成，用于刺激响应行为，非常类似于生物组织。因此，水凝胶作为药物输送系统，生物传感器和细胞培养的生物材料具有潜在的应用前景。尽管水凝胶柔软而柔软，但它们又脆弱又易碎，在这种情况下，标准水凝胶会因大变形而破裂。为了克服水凝胶的低机械性能，研究人员设计了网络结构。水凝胶对粘性和弹性特性均表现出粘弹性行为，因此设计坚韧的水凝胶，因此Norioka等人。着重于粘性特性。粘度允许通过能量耗散来减轻所施加的应力。研究人员生产了具有高聚合物链密度，交联剂之间分子量大的水凝胶网络，从而有效地耗散了整个材料。在实验过程中，他们添加了高单体浓度和低交联剂含量，以形成具有许多缠结的水凝胶网络以产生物理交联。为了演示该策略，Norioka等人。使用聚丙烯酰胺(PAAm)和聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱)(PMPC)作为水凝胶的主链。

该团队使用压缩和拉伸测试测试了所制备的PAAm水凝胶的机械性能。他们指出，在聚合条件下形成的非均相PAAm水凝胶比具有均质网络结构的那些具有更高的单体浓度和较低的交联剂含量，其韧性更高。类似地，具有高单体浓度和低交联剂含量的膨胀的PAAm水凝胶也显示出高的机械韧性和高的可拉伸性。Norioka等人在拉伸试验中使用应力-应变曲线。研究了水凝胶变硬和可拉伸的机理。研究小组指出，交联剂含量大于0.1摩尔%的PAAm水凝胶的韧性远低于交联剂含量小于0.1摩尔%的PAAm水凝胶。水凝胶，其单体浓度为5.0摩尔/升，交联剂含量为0.005摩尔%。