水凝膠給人普遍是軟軟彈彈的感覺(jué)，不過(guò)，科學(xué)家們希望開(kāi)發(fā)兼具優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的溫敏水凝膠，由此大大擴(kuò)展這種材料在致動(dòng)器、軟體機(jī)器人、生物傳感器、載藥、組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）水凝膠存在低臨界溶解溫度（LCST, ≈ 32 ℃），能夠在溫度刺激下實(shí)現(xiàn)可逆的體積收縮/恢復(fù)，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“明星”材料，有著廣泛的應(yīng)用。但是，PNIPAAm水凝膠的機(jī)械性能較差，這限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

目前，該領(lǐng)域的諸多研究集中在改變水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)改善其機(jī)械性能。其中，構(gòu)筑相互穿插雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（double network，DN）能夠顯著改善水凝膠體系的機(jī)械性能。但是，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水凝膠體系機(jī)械強(qiáng)度和模量的提升仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性工作。同時(shí)，構(gòu)筑具有優(yōu)異機(jī)械性能的溫敏性DN水凝膠體系的研究還尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。近日，美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)的Melissa A. Grunlan教授研究團(tuán)隊(duì)基于帶負(fù)電荷聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS）構(gòu)筑高交聯(lián)密度的1級(jí)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合引入含兩性離子的溫敏性聚合物P(NIPAAm-co-MEDSAH)構(gòu)筑較為疏松的2級(jí)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了同時(shí)具有高機(jī)械強(qiáng)度（≈ 23 MPa）和模量（≈ 1.5 MPa）的溫敏性DN水凝膠體系（體積相轉(zhuǎn)變溫度VPTT ≈ 35 ℃）。

溫敏性PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH) DN水凝膠體系結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來(lái)源：Macromol. Rapid Commun.

這種PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH)雙穿插網(wǎng)絡(luò)體系中各組分的含量對(duì)于最終凝膠體系的拉伸強(qiáng)度和模量有著重要影響。研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)制備不含兩性離子組分的PAMPS/PNIPAAm DN水凝膠體系，對(duì)凝膠體系性能隨AMPS含量的變化關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的探究。當(dāng)AMPS含量從0.5 M增加到2.0 M時(shí)，其壓縮模量由小于0.5 MPa提高到約2.0 MPa；但是當(dāng)AMPS含量大于1.5 M時(shí)，由于凝膠體系中的靜電斥力導(dǎo)致體系交聯(lián)密度過(guò)大，體系的應(yīng)力耗散能力下降，引發(fā)凝膠體系的抗壓強(qiáng)度略有降低。該PAMPS/PNIPAAm體系的最佳AMPS含量為1.5 M，具有1級(jí)網(wǎng)絡(luò)的溫敏性凝膠體系的壓縮強(qiáng)度約為14 MPa，壓縮模量約為1.2 MPa。

PAMPS/PNIPAAm DN水凝膠體系機(jī)械性能隨AMPS含量的變化。圖片來(lái)源：Macromol. Rapid Commun.

研究團(tuán)隊(duì)確定最優(yōu)1級(jí)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步系統(tǒng)地研究了兩性離子組分MEDSAH含量（2級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）對(duì)最終PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH)凝膠體系機(jī)械強(qiáng)度和模量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著MEDSAH組分的加入，體系的模量略有提高（從1.2 MPa至1.53 MPa）、體系的壓縮強(qiáng)度逐步提升（從14 MPa至23 MPa）。最優(yōu)MEDSAH含量為15%（相比于NIPAAm的質(zhì)量）。

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PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH) DN水凝膠體系機(jī)械性能隨MEDSAH含量的變化。圖片來(lái)源：Macromol. Rapid Commun.

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH) DN水凝膠體系中2級(jí)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入兩性離子組分，產(chǎn)生分子鏈間和分子鏈內(nèi)的離子作用是賦予該凝膠體系優(yōu)異機(jī)械性能的關(guān)鍵。

——總結(jié)——

該研究通過(guò)引入帶負(fù)電的1級(jí)高交聯(lián)密度網(wǎng)絡(luò)與含兩性離子組分2級(jí)低密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)筑了具有高壓縮強(qiáng)度和壓縮模量的PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系，能夠耐受85%的拉伸形變。同時(shí)，該水凝膠體系仍具有與聚異丙基丙烯酰胺相似的溫敏特性，這賦予該材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和智能器件領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。