中科院化学所吴德成课题组：高强可控双交联网络水凝胶

水凝胶是由亲水性分子通过物理或化学交联作用，形成的一种具有三维交联网状结构的类似于软组织的软湿材料，在生物医用、环境卫生、化妆品以及食品工业等众多领域都得到广泛的应用。但是，传统水凝胶存在结构可调性差的缺点，其交联密度取决于初始体系中交联剂的预置量，交联反应一旦激活，交联程度、网络结构、化学组成和理化性能都难以进行原位动态调控，所以水凝胶的可控制备仍是一个很大的挑战。针对这一问题，吴德成课题组曾提出了一种基于易断裂重排的双硫键的可控交联策略，在时间和空间上实现了凝胶的定制化制备。然而由于疏水内核的紧密堆积和缺少能量耗散单元，这类水凝胶的力学性能较差，在一定程度上限制了材料的实际应用。

最近，该研究团队以笼型倍半硅氧烷（POSS）为内核，协同结合高强氢键和二硫键交换，设计了一种新型的核/壳星形高分子材料。随后通过调节聚合物水溶液的酸碱度触发或终止体系巯基双硫键交换反应进而精确控制化学交联反应的引发、终止及再引发，实现凝胶的可控制备（图1）。其中，2-脲基-4[1H]嘧啶酮（UPy）分子间形成的四重氢键非共价作用作为物理交联点增强局部作用力，优化网络结构。同时氢键通过有效的可逆断裂和重整来耗散应变能，提高凝胶的机械性能。该工作将可控化学交联与非共价物理交联相结合，有效地实现了高性能与可控性的一体化。

图1  凝胶材料的分子结构、可控制备和力学性能 

图2  动态键的协同作用机理图 

图3  凝胶网络的可控调节 

综上所述，作者通过两种动态键合位点的协同策略为凝胶提供了强大的交联相互作用和能量耗散机制，实现了高强凝胶的可控制备。其方法简便通用，对指导设计新型高强定制功能化水凝胶材料具有重要的借鉴意义。论文第一作者为中国科学院化学研究所博士生窦雪宇，通讯作者为吴德成研究员和王星副研究员。