超分子水凝胶和大分子水凝胶的利和弊：谁更先进？

来源：高分子科学前沿

水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料。它以含水量高、溶胀快、柔软、具有橡胶般的粘稠性和良好的生物相容性等特点，在传感、药物递送、软机器人以及生物杂交或生物界面材料中有极大的应用潜力。水凝胶的性质很大程度取决于制备材料的单元结构和其相作用后形成的网络结构。因此清楚了解水凝胶的结构，性质和能力对具体应用来说极具意义。

因此德国亚琛工业大学Andrij Pich和代尔夫特理工大学Rienk Eelkema把两种常见水凝胶：超分子凝胶网络（SHGs）和大分子凝胶网络（MHGs）进行比较。

该综述详细比对了两种水凝胶的结构，基本性质，化学设计，网络结构，功能性和响应性。得出一个结论：目前单独的SHGs或MHGs各自都表现出优势，但是与生物体凝胶材料相比仍存在不足。但是当SHGs与MHGs融合到一个体系中形成超大分子凝胶网络（SMHGs），赋予凝胶优异性质和先进功能。使该新型凝胶有望与生物凝胶媲美。该工作以题名《Pros and Cons: Supramolecular or Macromolecular: What Is Best for Functional Hydrogels with Advanced Properties?》发表在《先进材料》上。后附原文链接。

图1  凝胶网络拓扑结构示意图，左边是大分子凝胶网络（MHGs），右边是超分子凝胶网络（SHGs），中间是超大分子凝胶网络（SMHGs）解析：左图是典型的MHGs，组成单元是丙烯酰胺，交联剂是N,N-亚甲基双丙烯酰胺。在水中10-15分钟就可以形成凝胶，溶胀率是13.3，杨氏模量是0.03 MPa。右图是典型的SHGs，质子化诱导自组装，在水中，疏水性二肽驱动凝胶化，形成的凝胶具低屈服应力。中间是第三类凝胶，由MHGs和SHGs通过非共价相互作用形成的SMHGs。图2 SMHGs的性质。a.聚两性电解质凝胶拉伸前后示意图。b.阳离子单体：MPTC, DMAEA-Q。阴离子单体：NaSS, AMPS。c. SMHGs的自愈性与黏附性。d. 聚两性电解质水凝胶溶胀率和杨氏模量与离子单体浓度的关系。在一定范围内，随着离子浓度升高，凝胶溶胀率下降，杨氏模量升高。浓度高于一定值，溶胀率和杨氏模量趋于恒定。e. 自愈后的凝胶与原始凝胶的应力应变曲线比较。解析：聚两性电解质凝胶网络中有强键和弱键。凝胶拉伸时，强键作为永久交联点，不发生断裂，弱键发生断裂。SMHGs具有自修复性质和粘附性，剪切稀释，或者移除应力，凝胶可恢复原状。而且自愈后凝胶的应力应变曲线几乎与原始凝胶保持一致，说明该凝胶具有较高的自愈效率。聚两性电解质水凝胶的这些性质类似生物水凝胶。图3纤维蛋白水凝胶的形成和性质人体受伤产生伤口，体内的凝血酶原被激活成凝血酶，纤维蛋白在凝血酶作用下逐步形成二聚体，原纤维。在凝血酶和因子XIIIa作用下，原纤维通过共价交联和堆积变为成熟的纤维，再经缠绕形成网络，这一过程是纤维蛋白水凝胶自发进行的。解析：从性质上看，随着振荡应力增大，纤维蛋白水凝胶应变硬化，抵抗变形的能力提高。