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蘇州大學(xué)嚴鋒教授 JACS：具有生物相容性可逆粘附離子凝膠
2024-05-12  來源：高分子科技

  由于缺乏能量耗散機制，離子凝膠強度低，變形能力差，對裂紋擴展敏感，嚴重影響了其壽命和使用范圍。目前，通過配位超分子溶劑、原位相分離或超分子溶劑與應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶的協(xié)同作用等策略制備高強度離子凝膠的研究取得了很大進展。然而，由于聚合物網(wǎng)絡(luò)和溶劑之間強烈的分子間相互作用，高強度離子凝膠具有較高的分子內(nèi)聚能，從而導(dǎo)致與底物的界面粘附較弱。因此，實現(xiàn)高強度和高粘附強度的離子凝膠仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，離子凝膠的再利用和回收是必要的，具有高粘附強度的可逆粘合劑具有很大的實際應(yīng)用前景。


  大多數(shù)離子凝膠生物相容性差，這限制了離子凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用(組織傷口的粘附、器官的無損轉(zhuǎn)移和組織密封)。為了提高離子凝膠在生物組織中的適用性，探索和開發(fā)有效、安全的離子液體來制備離子凝膠至關(guān)重要。



  近期，蘇州大學(xué)嚴鋒教授、李維政博士后和南京大學(xué)王曉亮教授在JACS上發(fā)文，將生物相容性的檸檬酸/L-(-)-肉堿(CAC)基離子液體作為溶劑來制備高強度、高粘附強度的離子凝膠，用于可逆的工程和生物粘合劑，克服了界面能和內(nèi)聚能之間的矛盾。所制備的離子凝膠具有良好的力學(xué)性能，包括抗拉強度(14.4 MPa)、楊氏模量(48.1 MPa)和韌性(115.2 MJ m-3)，與玻璃基底的粘附強度高達24.4 MPa。此外，離子凝膠可在濕生物組織界面形成機械匹配的堅韌粘附(界面韌性約為191 J m-2)，且可根據(jù)需要用鹽水溶液分離，從而擴展了其在各種臨床場景中的潛在應(yīng)用，如傷口粘附和器官的無損轉(zhuǎn)移。 


離子凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計及超分子相互作用機理


  低場固體核磁共振譜被用來解釋聚合物的原位片段動力學(xué)。通過低場核磁表征手段得到離子凝膠的自由感應(yīng)衰變信號，然后通過相應(yīng)的函數(shù)擬合得到各組分的弛豫時間和相對分數(shù)，證實了PDMAA與CAC良好的相互作用。有效調(diào)節(jié)內(nèi)聚能和界面能的平衡是實現(xiàn)強附著力的必要條件。利用分子動力學(xué)模擬計算了離子凝膠與離子凝膠/底物的相互作用能，說明離子凝膠內(nèi)聚能和界面能得到了有效平衡，進一步解釋了離子凝膠具有良好粘附性能的機理。 


離子凝膠的超分子相互作用和粘附機制


  超分子溶劑可以通過氫鍵和靜電相互作用與聚合物鏈形成強相互作用。溶劑的含量越高，網(wǎng)絡(luò)中聚合物鏈之間的距離越長，聚合物鏈的纏結(jié)越少，離子凝膠的可拉伸性越高。通過調(diào)節(jié)CAC的含量可調(diào)節(jié)離子凝膠的力學(xué)性能。離子凝膠的極限斷裂應(yīng)力(14.4 MPa)、極限斷裂應(yīng)變(4900%)、韌性(115 MJ m?3)和楊氏模量(48 MPa)超過了報道的韌性水凝膠/離子凝膠、雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠/離子凝膠、相分離水凝膠/離子凝膠、復(fù)合離子凝膠，和超分子離子凝膠。 


離子凝膠的力學(xué)性能


  由于富含豐富的羧基和羥基，離子凝膠可以與富含硅羥基的玻璃基板形成強相互作用。離子凝膠的粘附強度達到24.4 MPa，粘附面積僅為4 cm2的玻璃片能夠提起50 kg的水桶或約52 kg的成年人。在室溫下，離子凝膠對玻璃、木材、PMMA、Fe和不銹鋼的平均粘附強度分別為24.4、13.1、7.3、4.3和3.3 MPa(粘附24 h，粘附面積為0.15 cm2)。 


離子凝膠的粘附性能


  剝離試驗結(jié)果表明，離子凝膠粘合劑與皮膚組織具有很強的粘附性(約191.1 J m?2)。離子凝膠的這一特性使其在臨床應(yīng)用中具有很高的優(yōu)勢，包括組織傷口粘附和器官的非破壞性轉(zhuǎn)移。對于潮濕的組織表面，離子凝膠粘合劑能夠迅速吸附界面水，與生物組織表面的活性基團形成物理交聯(lián)。在吸水過程中，水破壞了離子凝膠中的部分氫鍵，使其膨脹，同時形成機械相容模量和適用的粘附強度，以粘附和保護組織界面。由于羥基和羧基的水合作用，足量的水溶液可以完全破壞粘附界面的動態(tài)物理交聯(lián)，因此可以用生理鹽水實現(xiàn)按需良性分離(使用生理鹽水溶液模擬手術(shù)條件)。 


離子凝膠的生物相容性及其潛在應(yīng)用


  相關(guān)成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society，第一作者為蘇州大學(xué)碩士研究生熊姣鳳，通訊作者為李維政博士后、王曉亮教授和嚴鋒教授。


  論文信息：

  Biocompatible Tough Ionogels with Reversible Supramolecular Adhesion

  Jiaofeng Xiong, Minzhi Duan, Xiuyang Zou, Shuna Gao, Jiangna Guo, Xiaowei Wang, Qingning Li, Weizheng Li,* Xiaoliang Wang,* and Feng Yan*

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c01758

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