北师大最新研究:具有高拉伸强度和高模量的形状记忆水凝胶

中研股份2018年9月18日讯  北京师范大学汪辉亮教授课题组报道了一种新型具有高拉伸强度和高弹性模量的热响应形状记忆水凝胶。它们首先通过将亲水性单体N -乙烯基吡咯烷酮(NVP)和疏水性单体对丙烯酰氧基苯乙酮(AAP)在N, N'' -二甲基甲酰胺(DMF)溶液中共聚制备出有机凝胶,然后将该有机凝胶在去离子水中充分浸泡,通过溶剂交换得到水凝胶。

形状记忆水凝胶(SMH)是一类含有大量水的特殊形状记忆聚合物。通常SMH采用化学交联作为刚性骨架(固定相),采用可逆物理交联作为转换相。当SMH受到特定刺激时,其可逆交联断裂,即可通过外力编辑为临时形状;当刺激改变时,可逆交联重新形成,临时形状得以固定。当再次受到特定刺激时,刚性骨架网络的弹性作用使得水凝胶恢复其原始形状。通常,热响应的SMH因其不需要时间进行分子渗透和化学反应而具有较快的形状固定和恢复速度。尽管已有很多关于SMH的报道,但大多数的热响应SMH的拉伸强度和弹性模量均较低,尤其是模量大多小于1 MPa,这使其实际应用受到很大限制。高机械强度、高模量和优异形状记忆性能水凝胶的开发具有重要的理论意义和潜在应用价值。

由于苯乙酮基团之间具有强而可逆的疏水缔合和π-π堆积相互作用,该水凝胶表现出优异的力学性能,其拉伸强度可达8.41 ± 0.83 MPa,其杨氏模量高达94.2 ± 1.3 MPa,比相应的有机凝胶分别高1和3个数量级。同时该水凝胶表现出良好的热响应形状记忆行为,在70°C的去离子水中软化后转移至室温环境,只需数秒内即可固定临时形状,形状固定率达到100%。根据水凝胶组分的不同其展现出74%-89%的形状恢复率。这些刚而强的形状记忆水凝胶可以作为一种理想外科固定装置,用于包裹和支撑各种形状的肢体结构。

该研究工作发表在ACS Applied Materials & Interfaces。焦晨为论文第一作者,汪辉亮教授为论文通讯作者。

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图1 有机凝胶和水凝胶的制备方法、形成机理和形貌。

(a)单体AAP的合成和单体NVP与AAP的共聚;

(b)有机凝胶和水凝胶的制备方法和形成机理;

(c-e)照片展示(c)有机凝胶(从左到右:nNVP:nAAP = 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1)(d)水凝胶和(e)将水凝胶重新浸入DMF中获得的有机凝胶的外观。

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图2 有机凝胶和水凝胶的拉伸应力-应变曲线及形状记忆性质。

(a)有机凝胶的拉伸应力-应变曲线图;

(b)水凝胶的拉伸应力-应变曲线图;

(c)有机凝胶和水凝胶的拉伸强度;

(d)有机凝胶和水凝胶的杨氏模量;

(e)水凝胶的从临时形状恢复成永久形状的过程;

(f)水凝胶的温度依赖性。

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图3水凝胶作为支撑材料的应用。

(a)水凝胶作为指关节的固定支撑材料;

(b)水凝胶作为手腕的固定支撑材料;

(c)水凝胶作为腿和脚的固定支撑材料。

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