機(jī)械魯棒性的高透濕滑聚乙烯醇(PVA)水凝膠在人造生物軟組織、柔性可穿戴電子產(chǎn)品和植入式生物醫(yī)學(xué)器件中具有廣泛的應(yīng)用。然而,化學(xué)交聯(lián)的PVA水凝膠由于稀疏的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和高含水量機(jī)械強(qiáng)度和抗溶脹性差,而引入納米結(jié)晶域(冷凍澆鑄和冷凍-解凍)的PVA水凝膠雖然機(jī)械性能有所改善但透光性和潤(rùn)滑性能降低。目前,如何設(shè)計(jì)具備機(jī)械魯棒性的高透濕滑PVA水凝膠,實(shí)現(xiàn)高透、強(qiáng)韌和濕滑等性能有機(jī)統(tǒng)一以滿足其在生物和工程應(yīng)用中的需求仍是巨大挑戰(zhàn)。
鑒于此,中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所劉維民院士/王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)提出一種新的策略,即脫水收縮誘導(dǎo)的致密化、鹽析誘導(dǎo)的聚集和再水化協(xié)同結(jié)晶,實(shí)現(xiàn)了PVA水凝膠優(yōu)異機(jī)械性能、水潤(rùn)滑性能、抗蛋白粘附、生物相容性和載藥與控釋等多功能集于一體,并在隱形眼鏡、可穿戴裝置、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域表現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。相關(guān)工作以Tough, Transparent, and Slippery PVA Hydrogel Led by Syneresis為題目發(fā)表于Small。
如圖1所示,利用脫水干燥誘導(dǎo)PVA聚合物鏈的致密化以及隨后的鹽析效應(yīng)快速誘導(dǎo)的強(qiáng)聚集和結(jié)晶以及再水化策略來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高透明度和可調(diào)機(jī)械性能的濕滑PVA水凝膠。在脫水收縮過(guò)程中,聚合物網(wǎng)絡(luò)的致密化為隨后的鹽析誘導(dǎo)的強(qiáng)聚集和結(jié)晶提供了預(yù)堆積的聚合物鏈,從而導(dǎo)致結(jié)晶域的形成。隨后在“親液”陰離子溶液中通過(guò)相分離進(jìn)一步促進(jìn)PVA鏈的結(jié)晶來(lái)增強(qiáng)結(jié)晶性。2D WAXS和SAXS證明濕滑PVA水凝膠存在納米尺寸的結(jié)晶域,其可以作為剛性的高功能交聯(lián)劑來(lái)增強(qiáng)和增韌濕滑的PVA水凝膠(圖2)。
圖1 機(jī)械魯棒性的高透濕滑PVA水凝膠的制備示意圖
圖2 濕滑PVA水凝膠的結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能
圖3 濕滑PVA水凝膠機(jī)械性能的廣泛可調(diào)性
如圖4所示,這種機(jī)械魯棒性的PVA水凝膠具有優(yōu)異的光學(xué)性能(98%的透光性)、高的水含量(52~54%)以及優(yōu)異的潤(rùn)濕性。此外,在水潤(rùn)滑條件下,這種機(jī)械魯棒性的PVA水凝膠的摩擦系數(shù)可低至0.0081,表明這種濕滑PVA水凝膠具有優(yōu)異的水潤(rùn)滑性能。與此同時(shí),濕滑PVA水凝膠在長(zhǎng)時(shí)間的滑動(dòng)摩擦測(cè)試中仍具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能,表明其具有顯著的耐磨性和機(jī)械魯棒性。因此,這種柔軟且濕滑的PVA水凝膠在需要水潤(rùn)滑的可穿戴生物醫(yī)學(xué)器械中具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖4 濕滑PVA水凝膠的透光性、水含量、潤(rùn)濕性以及水潤(rùn)滑性能
圖5 高透濕滑PVA水凝膠隱形眼鏡的制造、生物相容性和功能性
文章信息:Desheng Liu, Yufei Cao, Pan Jiang*, Yixian Wang, Yaozhong Lu, Zhongying Ji, Xiaolong Wang*, and Weimin Liu*, Tough, Transparent, and Slippery PVA Hydrogel Led by Syneresis, Small, 2023, 2206819.
全文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202206819
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