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武漢大學施曉文教授課題組 Adv. Sci.：抗沖擊水凝膠薄膜-基于犧牲膠束輔助取向策略

2024-10-11 來源：高分子科技

具有特殊功能的高分子聚合物水凝膠在組織工程、柔性電子和抗沖擊材料方面具有廣泛的應用前景。目前，研究人員已經開發了多種策略，包括定向冷凍、機械訓練、外場作用、受限條件下干燥、預拉伸等，通過構建具有多尺度有序取向結構的水凝膠，從而增強其力學性能（強度、韌性、模量、抗沖擊性等）。然而，水凝膠成型后，由于分子鏈間存在氫鍵，鏈間相互糾纏，阻礙分子鏈的取向排列，導致水凝膠力學性能難以進一步提升。

為解決這一問題，武漢大學資源與環境科學學院施曉文教授課題組提出了一種犧牲膠束輔助取向策略，構建出具有高度取向結構、高強度、高韌性的純殼聚糖水凝膠（圖1）。

圖1 抗沖擊殼聚糖水凝膠薄膜

在傳統方法中，殼聚糖通過NaOH中和形成水凝膠，再進行取向以提升其性能。由于氫鍵的存在，殼聚糖分子鏈難以獲得高取向，導致水凝膠力學性能差。在這項工作中，通過依次破壞氫鍵，聚合物鏈取向，然后重建氫鍵，最終得到強韌的取向性殼聚糖水凝膠（圖2）。

圖2 犧牲膠束輔助取向策略構建高強度、高韌性純殼聚糖水凝膠薄膜

利用陰離子十二烷基硫酸鈉（SDS）膠束與質子化殼聚糖（Chit-H⁺）之間的強靜電相互作用，制備膠束Chit-H⁺/SDS水凝膠。SDS膠束削弱了質子化殼聚糖鏈之間的靜電排斥，使鏈間距更近。隨后，在單軸力的作用下，SDS發生膠束形態變化，輔助殼聚糖鏈的滑動與取向。最后，將取向后的Chit-H⁺/SDS水凝膠浸入NaOH溶液中，去除犧牲的SDS膠束，并重構殼聚糖氫鍵結晶網絡。與傳統策略相比，殼聚糖水凝膠強度增加了140倍，從0.4 ± 0.1 MPa增加到58.9 ± 3.4 MPa；模量增加了595倍，從0.4 ± 0.1 MPa增加到226.4 ± 42.8 MPa；韌性增加了103倍，從0.1 ± 0.01 MJ m^-3增加到10.3 ± 2.4 MJ m^-3（圖2B）。經過干燥-再水合處理后，強度和模量進一步上升至70.3 ± 2.4 MPa和403.5 ± 76.3 MPa（圖3-4）。

圖3水凝膠薄膜的微觀結構及力學性能表征

圖4殼聚糖水凝膠的取向結構表征

此外，通過組裝5層超薄取向性殼聚糖水凝膠膜，構建了具有Bouligand結構的分層水凝膠（圖5）。該水凝膠在成分（純殼聚糖）、結構（Bouligand型）、性能（機械強度：28.2 ± 2.0 MPa，含水量：70.4 ± 3.0%）和外觀（透明）方面與龍蝦腹部軟膜非常相似。其抗沖擊性能達6.8 ± 1.0 kJ m^-1，優于龍蝦殼（0.4 kJ m^-1）和一些通過其他仿生策略設計的抗沖擊材料（PVA/GO水凝膠2.1 kJ m^-1，纖維素凝膠/絲纖維3.1 kJ m^-1）。該工作為高性能聚合物水凝膠的設計提供了新視角。

圖5仿生龍蝦腹膜抗沖擊水凝膠的設計與表征

上述研究成果以“Hydrogel Films with Impact Resistance by Sacrificial Micelle-Assisted Alignment”為題在線發表于期刊《Advanced Science》上。該研究工作由武漢大學完成，武漢大學資源與環境科學學院博士研究生張靜賢為論文第一作者，武漢大學資源與環境科學學院施曉文教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學基金委對該工作的資助。

論文信息：

Hydrogel Films with Impact Resistance by Sacrificial Micelle-Assisted Alignment

Jingxian Zhang, Xiaowen Shi*, Zhongtao Zhao, Manya Wang, Hongbing Deng, Yumin Du

AdvancedScience

DOI:doi.org/10.1002/advs.202409287

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202409287

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（責任編輯：xu）

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