發布時間：2023年3月23日
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水凝膠作為一種軟濕材料，具有高度可調的物理化學性質，在生物組織粘合劑、柔性電子器件和組織替代物等領域展現出廣泛的應用潛能。然而，水凝膠的高含水量往往伴隨著較弱的機械性能，難以滿足承重軟組織的需求。無機鹽的霍夫邁斯特效應已被廣泛應用于調節水凝膠的機械性能，但是水凝膠中高濃度的鹽含量可能會降低生物相容性，限制其在生物醫學領域的應用。
近日，西安交大化學學院成一龍研究員課題組首次發現聚電解質可以通過霍夫邁斯特效應增強雙網絡水凝膠。相比無機鹽，聚電解質具有優異的生物相容性、生物活性和防污能力。與聚丙烯酸（PAA）相比，在聚乙烯醇（PVA）水凝膠中引入陰離子聚丙烯酸鈉（P(iAA)）可以顯著提高水凝膠的機械性能：拉伸強度、抗壓強度、楊氏模量、韌性和斷裂能分別提高73、64、28、135和19倍。團隊通過掃描電子顯微鏡（SEM）、衰減全反射傅立葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）、X射線衍射（XRD）、小角X射線散射（SAXS）和差示掃描量熱法（DSC）等多種表征手段闡明了聚電解質的霍夫邁斯特效應對水凝膠機械性能的增強機制：與可能干擾PVA鏈間氫鍵形成的PAA相比，P(iAA)中的羧酸根離子可以極化PVA周圍的水合分子，誘導PVA聚集形成結晶，作為水凝膠網絡中的有效交聯點，從而顯著提高水凝膠的力學性能。值得注意的是，通過改變聚電解質的類型、濃度、離子化程度和相對疏水性可以使水凝膠的機械性能在寬范圍內可調，以滿足生物醫學應用的不同需求。其中楊氏模量可以涵蓋人體內各種軟組織的模量。該策略也可以推廣到其他霍夫邁斯特效應敏感的聚合物和聚電解質。此外，在聚電解質結構中引入脲鍵可以進一步提高水凝膠的機械性能（拉伸強度1.95 MPa）和抗溶脹性（30天內溶脹率為68%）。結合優異的防污能力和生物相容性，該水凝膠可以作為生物補片有效預防內臟黏連和疝氣形成，并加快腹壁缺損的愈合。
該研究成果以《聚電解質增韌雙網絡水凝膠》（Toughening Double Network Hydrogels by Polyelectrolytes）為題發表在期刊《先進材料》（Advanced Materials)上。西安交通大學儲能材料與器件教育部工程研究中心為論文第一署名單位，化學學院博士生張夢園為論文的第一作者，通訊作者為西安交大化學學院成一龍研究員。研究工作得到國家自然科學基金、西安交通大學“青年拔尖人才支持計劃”、中央高校基本科研業務費等項目的資助，并得到了西安交通大學分析測試共享中心的支持。
成一龍研究員課題組致力于功能水凝膠的構建與應用研究，在相關理論發展和實際應用方面取得了一系列原創性成果，并在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Materials Horizons、Biomaterials、Chemistry of Materials等期刊發表了一系列重要論文。
來源：西安交大新聞網 日期：2023-03-23 11:13