水凝膠給人普遍是軟軟彈彈的感覺，不過，科學(xué)家們希望開發(fā)兼具優(yōu)異機械強度的溫敏水凝膠，由此大大擴展這種材料在致動器、軟體機器人、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)來改善其機械性能。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械性能。但是，同時實現(xiàn)水凝膠體系機械強度和模量的提升仍是一項挑戰(zhàn)性工作。同時，構(gòu)筑具有優(yōu)異機械性能的溫敏性DN水凝膠體系的研究還尚未見相關(guān)報道。近日，美國德克薩斯A&M大學(xué)的Melissa A. Grunlan教授研究團隊基于帶負電荷聚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級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了同時具有高機械強度（≈ 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于最終凝膠體系的拉伸強度和模量有著重要影響。研究團隊首先通過制備不含兩性離子組分的PAMPS/PNIPAAm DN水凝膠體系，對凝膠體系性能隨AMPS含量的變化關(guān)系進行了系統(tǒng)的探究。當(dāng)AMPS含量從0.5 M增加到2.0 M時，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，由于凝膠體系中的靜電斥力導(dǎo)致體系交聯(lián)密度過大，體系的應(yīng)力耗散能力下降，引發(fā)凝膠體系的抗壓強度略有降低。該PAMPS/PNIPAAm體系的最佳AMPS含量為1.5 M，具有1級網(wǎng)絡(luò)的溫敏性凝膠體系的壓縮強度約為14 MPa，壓縮模量約為1.2 MPa。
PAMPS/PNIPAAm DN水凝膠體系機械性能隨AMPS含量的變化。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.
研究團隊確定最優(yōu)1級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，進一步系統(tǒng)地研究了兩性離子組分MEDSAH含量（2級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）對最終PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH)凝膠體系機械強度和模量的影響。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水凝膠體系機械性能隨MEDSAH含量的變化。圖片來源：Macromol. Rapid Commun.
同時，研究團隊通過對比實驗表明，在PAMPS/P(NIPAAm-co-MEDSAH) DN水凝膠體系中2級交聯(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)異機械性能的關(guān)鍵。
——總結(jié)——
該研究通過引入帶負電的1級高交聯(lián)密度網(wǎng)絡(luò)與含兩性離子組分2級低密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)筑了具有高壓縮強度和壓縮模量的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，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。