点击左上角“国际智能和纳米材料杂志”关注我们，为您推送更多最新资讯。
文章导读
聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶作为1960年首次报道的人工合成水凝胶，是生活中常见的隐形眼镜的基本成分；长期以来科学家们成功地将PHEMA水凝胶应用在生物医学领域，如组织再生、组织替换、药物载送、伤口敷料、神经导管等。PHEMA水凝胶的广泛应用主要归功于它杰出的生物相容性、光学透明度，以及固有的无毒性。随着水凝胶的迅速发展，PHEMA水凝胶在驱动器、柔性电子、酸碱度和离子传感器上的应用也得到了广泛关注。然而，传统共价键交联的PHEMA单网络水凝胶力学性能较差，这一瓶颈对其未来发展形成了巨大的阻碍。
近期，南方科技大学深圳市软材料力学与智造重点实验室杨灿辉课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Strengthening poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels using biochars and hydrophobic aggregations”的论文，探索了通过纳米粒子增强和疏水聚集的协同作用，在水凝胶基体中引入有效的能量耗散区的同时维持其网络高弹性，从而实现对单网络PHEMA水凝胶的增强增韧。所得到的物理交联PHEMA水凝胶具有高可拉伸率~7，高断裂韧性~1360 J m-2，高弹性模量~180 kPa，低摩擦系数~0.2以及快速自修复的能力和抗溶胀的特性，为未来制备具有优异机械性能的PHEMA水凝胶提供了一种高效、通用的方法。
引用: Ping Zhang, Ziyi Xu, Zhiying Wu, Ping Xu & Canhui Yang (2022) Strengthening poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels using biochars and hydrophobic aggregations, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2022.2107115
文章内容
具体制备工艺如下：第一步，将水和乙醇混合溶剂、HEMA单体、过硫酸钠/四甲基二乙胺热引发剂、助引发剂，室温下快速混合均匀，然后注入到准备好的玻璃模具中，最后置入到烘箱40℃下热聚合24h形成均匀、氢键交联的PHEMA水凝胶；第二步，将第一步所制备的水凝胶浸没在水中充分的时间，用水将乙醇溶剂交换出来，得到具有疏水聚集区的PHEMA水凝胶；最后，将溶剂交换后的水凝胶通过冷冻循环(-20℃和室温冷冻解冻循环7-8次)，使得疏水聚集区进一步增强，形成更稳定、力学性能更强、抗溶胀的PHEMA水凝胶。生物质炭具有极好地生物相容性，另外其表面具有丰富的功能性反应位点，如羧基、甲氧基、酰胺基等，可以很好地与PHEMA高分子链形成较强的相互作用力，如氢键作用力、静电吸附力等。本文中在上述通过溶剂交换-冷冻循环法制备PHEMA水凝胶的同时向其中引入生物质炭，利用粒子增强和疏水聚集协同机理达到增强增韧的效果，其中该生物质炭粒子平均粒径大约是300 nm.
图1. 生物质炭与疏水聚集协同作用制备力学性能强而韧的PHMEA水凝胶。
图1 展示了完整的通过溶剂交换、冷冻循环法制备增强增韧PHEMA水凝胶的过程。另外，通过引入多反应位点的生物质炭粒子，与PHEMA高分子链产生较强的相互作用力，在纳米粒子增强和疏水聚集双机制的协同作用下引入更多的耗散能，从而进一步达成强而韧的PHEMA水凝胶。
图2.各种PHEMA水凝胶在纯剪切下的断裂性质。
在本文中制备了6种水凝胶，分别为一步法纯水下制备的PHEMA水凝胶(1-PHEMA water)，第一步在混合溶剂中合成的水凝胶(1-PHEMA)，经受溶剂交换的第二步水凝胶(2-PHEMA)，第一步在混合溶剂中合成的生物质炭/PHEMA水凝胶(1-Biochar/PHEMA)，经受溶剂交换的第二步水凝胶(2-Biochar/PHEMA)以及经受溶剂交换-冷冻循环后的水凝胶(3-Biochar/PHEMA)。对各种PHEMA水凝胶在纯剪切下的断裂性质进行测试，其中纯剪切测试一般需要两类样品，一个有缺口样品，一个无缺口样品。通过无缺口样品得到胶能量密度下的应力-应变曲线，有缺口样品裂纹开始扩展时获取的临界应变值，即可以算出断裂下的能量释放率为断裂韧性。最后测得(h)其对应的断裂能分别为269.0 J m-2，127.6 J m−2， 618.9 J m−2， 203.3 J m−2， 836.5 J m−2，1367.7 J m−2。
图3. 3-Biochar/PHEMA水凝胶材料性能表征。
首先通过冷冻干燥扫描电镜图可以观察到(a)3-Biochar/PHEMA水凝胶的疏水团簇以及纳米粒子结合的高分子链；其次测得(b)3-Biochar/PHEMA水凝胶拉伸应变为~6，拉伸强度大于150 kPa, 小应变下的弹性模量为180 kPa; 由于其粘弹耗散区的大小决定着断裂韧性的大小，因此作者分别对其进行了(c)不同应变下的加卸载曲线，(d)并对各应变下的迟滞值总结，迟滞高达80%，其中粘性耗散主要来源纳米粒子与高分子链间的相互作用力及聚合物网络中稳定的疏水聚集区；从(e)不同应变速率下的加卸载曲线中可以很明显看出该水凝胶是速率依赖性; 并且由于该水凝胶是物理胶，具有大量的氢键作为可逆的物理键，使得它具有较好的自修复能力，故而(f) 通过对其进行间歇式加卸载循环到最大应变100%，发现它可以在10分钟后恢复98.9%; 水凝胶的低摩擦实验(g)可以通过流变仪的轴向力剪切摩擦的扭转力获取，可以看到本文中3-Biochar/PHEMA水凝胶的摩擦系数在大约到~0.2；(h)由于该水凝胶的质量以及杨氏模量随着水凝胶溶胀时间的变化几乎不变，所以可以看出该水凝胶有良好的抗溶胀性能；最后(i)随着生物质炭质量分数的变化，所制得水凝胶的杨氏模量及断裂能也随之变化，其中引入6.5 wt%生物质炭时的水凝胶具有较好的力学性能。
图4.制备增强增韧PHEMA水凝胶策略的多样性。
为了探索该策略的广普性，分别将离子盐替换乙醇作为混合溶剂进行聚合，将生物质炭纳米粒子换为纳米黏土进行纳米增强水凝胶以及用退火-淬火替代冷冻循环实现疏水聚集区的增强，并且上述方法均取得了不错的效果。
作者简介
南方科技大学力学与航天航空系杨灿辉课题组的博士生张平和科研助理徐子怡为共同第一作者，合作者包括科研助理、现为香港城市大学博士研究生吴直颖和北大深圳医院徐平主任，杨灿辉助理教授为通讯作者。
杨灿辉，南方科技大学助理教授。曾任哈佛大学博士后和教学助理。主要从事软材料力学、柔性大变形离电器件、水凝胶材料与应用等研究。以第一/通讯作者在Nature Rev. Mater., Nature Comm.、Adv. Mater.等国际知名期刊和JMPS、EML、JAM等领域知名期刊上发表20+学术论文，研究成果被哈佛工学院、Physics news、polymer.cn等报道；担任JMPS、Adv. Mater.等十几个国际期刊审稿人，曾获评EML期刊“优秀审稿人”；曾任International Journal of Smart and Nano Materials（2021.1-2021.5）和Gels(2021.8-2022.1)客座编辑，主持国际力学论坛iMechanica的Journal Club（2020.11）。是深圳市软材料力学与智造重点实验室核心成员。
●周智团队最新进展：封装光纤光栅传感器在蠕变介质应变监测中的长期性能
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2021年影响因子为4.0。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
期刊主页：https://www.tandfonline.com/toc/tsnm20/current
投稿地址：https://rp.tandfonline.com/submission/create?journalCode=TSNM
编辑部联系方式：
Email：ijsnm@hit.edu.cn; ijsnm_journal@hit.edu.cn
Tel.: 0451-86413401; 0451-86413403
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
4.000 (2021) Impact Factor
Q2 (2021) Impact Factor Best Quartile
3.839 (2021) 5 year IF
5.3 (2021) CiteScore
Q1 (2021) CiteScore Best Quartile
处理速度：
21 days avg. from submission to first decision
29 days avg. from submission to first post-review decision
20 days avg. from acceptance to online publication
识别二维码, 订阅 International Journal of Smart and Nano Materials期刊最新资讯。
识别二维码, 进入 International Journal of Smart and Nano Materials期刊官网。
点击左下方“阅读原文”，阅读文章英文原文
