雙層水凝膠是一種獨特的軟材料，在領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常被賦予各種刺激響應(yīng)功能，可實現(xiàn)按需形狀轉(zhuǎn)換和變形，目前已廣泛應(yīng)用于人造肌肉、軟電子和人機界面等的設(shè)計。制備雙層水凝膠的常規(guī)策略通常涉及兩步或多步的逐層聚合。例如，常規(guī)制備過程包含兩步: (i) 聚合形成第一層水凝膠; (ii) 將第一層浸入第二層的前驅(qū)體溶液中，然后原位引發(fā)、聚合以形成第二層水凝膠。雖然這種逐層聚合策略對于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑十分有效，且適用于范圍廣泛的單體和交聯(lián)劑；但逐步聚合存在某些固有的缺點，即第二層的預(yù)聚液不可避免地擴散并溶脹第一層凝膠，這一過程往往無法精確控制，因此導(dǎo)致水凝膠界面產(chǎn)生不均勻的互穿網(wǎng)絡(luò)和異質(zhì)缺陷。進(jìn)一步地，雙層界面處的結(jié)構(gòu)不匹配極易導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)能力、弱界面結(jié)合力甚至層間脫離， 難以實現(xiàn)水凝膠的可持續(xù)應(yīng)用。目前，為了解決這一問題，研究人員通常將提高界面粘附力和力學(xué)強度作為設(shè)計的關(guān)鍵點，在凝膠層間引入高度可逆的化學(xué)鍵（如離子締合、超分子相互作用、氫鍵等）。
圖1. 通過自由基聚合差異誘導(dǎo)宏觀相分離策略制備雙層水凝膠。
在通過一系列不同的單體進(jìn)行預(yù)篩選后，作者確定了一類乙烯基單體和一類兩性離子苯乙烯基單體，用于通過聚合誘導(dǎo)的宏觀相分離機制制備雙層水凝膠（乙烯基和苯乙烯基單體都具有良好的水溶性）。聚乙烯基（例如 pNIPAM）鏈段具有典型的熱響應(yīng)性，具有從親水性（<LCST）到疏水性（LCST）的相轉(zhuǎn)變過程，而同時結(jié)構(gòu)性聚苯乙烯基兩性離子網(wǎng)絡(luò)（pVBPS）表現(xiàn)出離子強度依賴性。經(jīng)一鍋法制備得到的 pNIPAM-pVBPS 雙層水凝膠由 LCST 層（PNIPAM主導(dǎo)）和兩性離子層（PVBPS主導(dǎo)）組成，兩層之間具有無縫界面，并且通過控制自發(fā)的宏觀相分離在多長度尺度上可編程層厚度。
圖3. 宏觀相分離策略用于制備雙層水凝膠的通用性。
圖4. 不同乙烯基單體（6 種丙烯酰胺、6 種丙烯酸和 2 種叔胺衍生物）在通過反應(yīng)誘導(dǎo)宏觀相分離合成雙層水凝膠時的層分離效率-化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00149
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