巧用催化剂，成功预测动态水凝胶的粘弹性行为

动态键交联水凝胶是一类具有粘弹性的重要材料，具有许多值得期望的性质，包括对外部机械刺激和成型的适应性、可注射性、自愈性、能量耗散性、以及与表面的牢固粘合性等。控制所需的动态参数，如蠕变率、应力松弛率或自愈合率，是精确设计不同应用的粘弹性材料的关键。这需要定量和全面地理解分子对材料动态特性的贡献，然而这通常是一项困难的任务。尽管粘弹性体聚合物网络的物理模型在过去已经开发出来，由于水凝胶系统动力学和热力学参数解耦的挑战以及此类系统的复杂性，仍然缺乏水凝胶粘弹性行为的定量描述。使用可逆交联和可变交联寿命开发了几种动态凝胶系统。但通常很难改变控制平衡的热力学和独立控制交联交换速率的动力学。

想必经历高考的读者，对理综里面催化剂与化学平衡的题型并不陌生，而来自斯坦福大学的夏岩、 秦健合作将其成功用在了科研当中，通过改变有机催化剂的浓度来调节腙键的交换率而保持交联密度不变创造性的设计了一系列通过腙键交联的动态共价水凝胶（也就是高中化学中常说的催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变反应的平衡位置）。这种独立调节交联交换动力学和交联密度的策略允许明确分析动态水凝胶的粘弹性响应，作为其网络参数的函数。研究发现，动态水凝胶的末端弛豫时间主要由交联交换率和每个聚合物链的有效交联数两个因素决定。通过应力松弛确定的终端松弛时间与通过反应动力学确定的交换率之间存在普遍相关性，原则上可推广到任何粘弹性水凝胶网络。相关工作于近期以题为“Predictably Engineering the Viscoelastic Behavior of Dynamic Hydrogels via Correlation with Molecular Parameters”发表在了Advanced Materials上，这种定量关联有助于开发基于分子设计的具有可变期望粘弹性响应的动态水凝胶。

通过使用氨基甲基苯并咪唑作为有机催化剂，以加速腙键的动态交换，添加催化剂会降低交换反应的活化能，而不会影响其平衡常数。因此可合理地认为，改变催化剂的用量可连续调节交联的交换动力学，而不改变平衡时的交联密度，从而解耦粘弹性水凝胶的交联动力学和交联密度。应用该策略研究了两种最常用的网络拓扑中水凝胶的粘弹性特性：通过每条链上的多个位置交联线性聚合物和通过末端连接交联多臂星形聚合物。

两种聚合物网络结构的示意图

为了研究这些水凝胶的粘弹性，进行了应力松弛试验，该试验测量了施加小步应变后应力随时间的衰减。应力松弛试验可在广泛的时间尺度上捕捉粘弹性特征，并可直接转换为从振荡频率扫描中获得的储能模量和损耗模量。在不同浓度的氨基甲基苯并咪唑作为催化剂存在下，对39 kDa的HA和12%功能化形成的水凝胶进行应力松弛实验。在催化剂负载量为0×10−3—300×10−3M下，水凝胶的模量都是相同的，以确认添加催化剂对平衡交联密度的影响可忽略不计。而催化剂的加入显著提高了应力松弛速率，在不改变形状或斜率的情况下将应力松弛曲线移到较短的时间尺度。对于使用不同分子量（MWs）或官能化程度的HAs的水凝胶，还观察到不同催化剂负载量对流变光谱移动的影响。这些观察结果表明，网络结构因素和交联动力学对应力松弛有不同的贡献。将应力松弛数据转换为频域，首先将应力松弛函数G（t）拟合为指数衰减之和，然后将拟合的指数转换为存储和损耗模量。结果表明，增加催化剂负载量不会影响曲线的形状，但会显著地将曲线移向更高的频率。

水凝胶材料力学性能分析

接下来，研究人员将τt与交联的交换动力学关联起来。为了测量催化剂存在下腙键交换动力学的加速，研究了脂肪族醛和肼之间的小分子模型反应（该反应与用于形成水凝胶交联的结构非常相似）。每种反应物在0×10−3, 1×10−3, 2×10−3M氨基甲基苯并咪唑的转化率由HPLC。通过对可逆二级反应的反应动力学建模，获得了缔合（ka）和离解（kd）速率常数。ka和kd均随催化剂的添加而增加，并表现出对催化剂浓度的一级依赖性。当平衡常数保持不变时，1×10−3M催化剂、ka和kd都可以提高两个数量级。通过绘制不同催化剂浓度下2 wt%水凝胶的τt与1/kd的关系图，τt随着1/kd的降低而单调降低，并且对于不同MWs或功能化程度的HA，获得了类似的趋势。为了将交联的交换动力学与网络结构参数（例如，聚合物分子量、每链交联位点的数量）解耦，将不同催化剂负载下具有相同结构参数的水凝胶的τt归一化为不添加催化剂的最长末端弛豫时间。归一化后，具有不同MWs或功能化程度的HAs水凝胶的τt全部塌陷到主曲线上。为了测试这种相关性的普遍性，随后研究了多臂星形聚合物通过腙键末端连接四臂和八臂PEG形成的网络结构，尽管网络结构和聚合物结构不同，末端连接星形PEG水凝胶和侧链连接线性HA水凝胶在归一化τt与1/kd之间表现出几乎相同的定量相关性。并且在两种常见的聚合物网络拓扑中，可以通过聚合物浓度独立操纵水凝胶的刚度，而不影响其应力松弛特性。

终端弛豫时间τt分析

文中开发了一种新的策略，通过使用有机催化剂来解耦粘弹性水凝胶中交联密度和交联交换动力学。通过改变催化剂浓度，可以在两个数量级上调节动态共价腙交联的交换动力学，而不影响平衡常数，从而为控制粘弹性水凝胶的应力松弛行为提供了一种方便的方法。这一策略使我们能够使用水凝胶生物材料中两种最常见的网络拓扑，独立研究各种分子和大分子参数对应力松弛的影响。为精确和可预测地设计水凝胶粘弹性性质用于研究机械生物学、治疗性细胞输送和组织工程等生物应用领域提供了重要参考价值。

来源： 高分子科学前沿