自修復納米復合水凝膠獲重要進展

原標題:我校研發高性能仿生智能水凝膠可實現快速自修復

近日,合肥工業大學化學與化工學院“黃山青年學者”從懷萍教授課題組與中國科學技術大學、德國馬普學會膠體與界面研究所相關研究組合作,成功設計并研發了可快速高效自修復的高性能仿生智能納米復合水凝膠,具有多功能、優異機械性能等特性,應用前景廣闊。相關成果以《基于動態金-硫配位鍵構筑高強度,快速高效自修復納米復合水凝膠》為題,于2017年10月12日發表在國際著名出版社–細胞出版社新推出的綜合性化學期刊《化學》上(Chem 2017, 3(4), 691-705),論文的共同第一作者是青年教師秦海利博士和碩士研究生張坦。

生物組織受到外界損傷時會通過細胞或組織的自我修復從而恢復其本來的功能和結構。作為一種質地柔軟且高含水性材料,水凝膠廣泛應用于傳感與檢測、藥物釋放、驅動器及組織工程等多個領域,具有自修復性能不僅可延長其使用壽命,同時可大幅提升使用安全性。目前采取的在凝膠網絡內部結構中引入修復劑、動態或可逆的共價或非共價作用力等弱相互作用力的方法合成的水凝膠材料,即使在熱、酸等外界刺激輔助下,自修復過程往往需要數小時甚至24小時以上。同時,為實現自修復在網絡結構中引入弱相互作用力常常會伴隨著材料機械性能的降低影響其使用效果。

該校化學與化工學院從懷萍教授課題組與中國科學技術大學、德國馬普學會膠體與界面研究所相關研究組合作,提出了納米復合水凝膠與配位鍵相結合構筑高性能材料的新策略。科研人員將單分散的金納米顆粒作為水凝膠三維網絡結構的交聯劑,通過金-硫配位鍵使聚合物鏈與金納米顆粒相連,利用金納米顆粒優異的光熱性能和配位鍵在高溫下的動態不穩定性,成功實現了納米復合水凝膠自修復性能的大幅提升。此外,材料中金納米顆粒表面的大量未飽和金原子提供的大量交聯位點,大幅提高了凝膠網絡的支化度,使該材料具有非常優異的機械性能。

實驗結果表明,在波長808納米的近紅外光誘導下,該新型材料在1分鐘內即可實現96%的自修復。同時,該課題組對凝膠的生物安全性評估結果表明,該材料具有良好的可注射性能及生物相容性,可作為藥物載體負載抗癌藥物在近紅外光下進行可控釋放。

自修復納米復合水凝膠
自修復納米復合水凝膠制備示意圖:
(a)水凝膠合成所用金納米顆粒、反應共聚單體的結構示意圖。
(b)功能修飾金納米顆粒復合物作為交聯劑通過自由基聚合制備納米復合水凝膠示意圖
(c)紅外激光(808 nm)誘導動態RS-Au配位鍵自修復機理示意圖。

納米復合水凝膠的自修復性能
納米復合水凝膠的自修復性能:
(a)含Au NP水凝膠自修復過程光學照片。
(b)含Au NP水凝膠與不含Au NP水凝膠自修復過程光學照片。
(c)不含Au NP水凝膠在Au NP輔助下自修復過程光學照片。
(d)原始凝膠和自修復后凝膠機械性能曲線。
(e)不同Au NP濃度下原始凝膠和自修復后凝膠拉伸性能對比。

該工作得到了國家自然科學基金面上和重點項目,國家重點基礎研究發展計劃,新世紀優秀人才支持計劃,中央高校基本科研業務費專項資金,合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

本文轉自合肥工業大學,僅供參考學習。

發布者

高分子

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