水凝膠是由水和親水性三維聚合物網絡組成的軟材料,其行為類似于固體和流體 。動物中有許多生物水凝膠,如肌腱,韌帶和軟骨。由于水凝膠由天然分子組成的獨特結構,水凝膠可具有非常堅韌、堅固、彈性、粘性和乏力的機械性能。這些機械性能幫助這些水凝膠在各個領域具有廣泛的應用。例如,生物醫學領域,如藥物遞送、組織工程、醫用植入物和傷口敷料; 以及新興領域,如水凝膠傳感器、軟致動器/機器人,柔性電子器件、水下粘合劑和功能涂層。然而,常規水凝膠的機械性能通常會受到網絡結構缺陷的相當大的影響,并且缺乏能量耗散機制,因此導致機械性能明顯低于許多動物組織 (例如肌腱、韌帶和軟骨) 。因此,如何合理設計具有極端力學性能的水凝膠成為軟材料領域的關鍵問題。
近日,中國科學院大學王彩旗課題組據CS-PEG和 γ-CD之間的主客相互作用,通過限制在定義的聚合狀態下組裝了常規的3D大塊CMNPs。CMNPs表現出Cit3-響應的聚集行為。然后將CMNPs引入常規的PAM水凝膠中,該水凝膠不僅保持了高拉伸性能 (?1000%),而且將模量,應力和韌性分別提高了67.6,25.3和41.7倍。改善的機械性能基于Cit3-和CS之間的離子相互作用,以調節CMNPs之間的聚集行為。這不僅促進了水凝膠網絡鏈的糾纏,而且使CMNPs能夠在J Journal中充當能量耗散聚合物網絡的預證明。此外,可以通過控制由CS-PEG和 γ-CD組成的CMNPs來調節水凝膠的機械性能。模量的最大可調范圍為85.40-618.44 kPa; 應力的可調范圍為218.65-1054.59 kPa。韌性的可調范圍是1.11-6.23 MJ m-3。這種策略有助于分子自組裝的理解和控制。它可以為實現更高水平的動態超分子聚合物的程序化組裝提供見解和基礎。此外,水凝膠網絡的離子電導率歸因于自由移動的Na+和Cit3-的存在。該系統是一種用于監測人體運動的應變傳感器,在電子皮膚,柔性電子設備和生物醫學監測中具有廣泛的應用潛力。該工作以“Crystalline micro-nanoparticles enhance cross-linked hydrogels via a confined assembly of chitosan and γ-cyclodextrin”為題發表在《Carbohydrate Polymers》上(j.carbpol.2022.120145)。文章第一作者是中國科學院大學碩士研究生孟何,王彩旗副教授為本文通訊作者。
原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861722010505
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