让水凝胶不再怕溶胀：一步浸泡，拥有抗溶胀 “盔甲”
大家好，今天我们来了解一篇水凝胶文章——《One‐Step Soaking Strategy toward Anti‐Swelling Hydrogels with a Stiff “Armor”》发表于《Advanced Science》。水凝胶在生物医药等领域应用广泛，但它有个让人头疼的问题，就是在水环境中容易溶胀，这会导致其机械强度下降。为了解决这个问题，科学家们一直在努力探索。最近，有研究发现了一种通过调节非共价相互作用来制备抗溶胀水凝胶的方法，就像是给它穿上了一层坚硬的 “盔甲”，能有效保护其尺寸稳定性和机械性能。接下来，我们就详细了解一下这项有趣的研究。
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一、引言
水凝胶作为“软且湿”的材料，在生物医药领域有广泛应用，如药物递送、组织工程和软电子等。然而，其亲水交联网络导致在水环境中不可避免地溶胀，机械强度下降。为解决此问题，人们通过调节亲水-亲脂平衡、交联密度、单体含量和组分等方法制备抗溶胀水凝胶，但这些方法往往配方复杂，且无法动态调节水凝胶的溶胀。
非共价键在生物系统和材料科学中很重要，近年来物理水凝胶的构建取得了快速进展，因其非共价键的动态和可配置性质，可获得优异的性能，如外部刺激响应性和自愈合性。受自然界中生物仿生学的启发，如被称为动物王国“钢铁侠”的鳞角腹足蜗牛，其坚硬的外骨骼由几丁质、节肢蛋白和无机化合物之间的非共价相互作用结合在一起，为内部柔软的身体提供保护和支撑。我们期望创建一个基于强非共价相互作用的壳层，像“盔甲”一样保护水凝胶的尺寸稳定性。
二、结果与讨论
（一）设计与制备壳结构DN水凝胶
形成过程：CS/PACG复合水凝胶通过紫外引发自由基聚合制备，其中PACG通过共价键/双氢键交联，CS良好分散在水凝胶基质中。随后，将复合水凝胶浸泡在FeCl₃溶液中，形成CS/PACG-Fe³⁺DN水凝胶。在此过程中，氯离子和铁离子渗透到水凝胶中，作为交联剂形成氨基-阴离子和羧基-阳离子域：氯离子触发聚合物的盐析，导致壳聚糖链自发塌陷形成链缠结网络；强羧基/Fe³⁺静电相互作用诱导PACG的离子交联。
浓度影响：制备了三种原始壳聚糖重量百分比不同（0.8、1.6和3.9）的CS/PACG复合水凝胶，复合水凝胶的机械性能比PACG单网络水凝胶更好，但随着CS浓度增加，极限应力和应变降低。综合考虑结构和力学性能，选择CS₁.₆/PAGG水凝胶进行进一步研究。
（二）壳结构DN水凝胶的机械和溶胀性能
机械性能：CS/PACG - Fe³⁺（以Cl⁻或SO₄²⁻为阴离子）DN水凝胶的抗压强度显著提高，CS/PACG-Fe³⁺（Cl⁻）DN水凝胶在96%应变下的抗压强度为78.5 MPa，相比复合水凝胶的 52.4 MPa有明显增加，压缩模量也大幅提高。
抗溶胀性能：该水凝胶在溶胀一个月后仍能保持结构和机械稳定性，平衡溶胀比低，CS/PACG-Fe³⁺（Cl⁻）和CS/PACG-Fe³⁺（SO₄²⁻）的平衡溶胀比分别为5.8%和14.8%。初始模量和强度随溶胀时间增加而增强，在去离子水、0.9 g/mL NaCl溶液和不同pH溶液中表现出优异的抗溶胀能力，但在碱性条件下溶胀较大，例如CS/PACG-Fe³⁺在4天时因难以保持完整性而难以测量溶胀比。水凝胶暴露在空气中会脱水收缩，但速度比传统水凝胶慢，可方便储存，将其置于密闭条件下脱水行为几乎中断，重新置于空气中又会重新开始。
（三）通过调节金属阳离子来调节机械性能和溶胀行为
水凝胶制备与性能：制备了用其他氯化物盐处理的CS/PACG-Na和CS/PACG-Ca²⁺DN 水凝胶，它们具有典型的均匀蜂窝状孔隙，表现出优异的弹性、韧性和形状恢复性能。与 CS/PACG-Fe³⁺水凝胶不同，CS/PACG-Na⁺/Ca²⁺DN水凝胶在溶胀后机械强度急剧下降，溶胀比大幅增加。例如，CS/PACG-Na和CS/PACG-Ca²⁺水凝胶在浸泡在去离子水中2小时后，溶胀比分别增加了约5110％和2820％，24小时后进一步增加到约44000％和32000％，同时极限应力显著下降。
机械性能测试：对CS/PACG-Na⁺/Ca²⁺DN水凝胶进行典型的应力-应变测试，结果表明它们的强度和刚度比复合水凝胶更高。CS/PACG-Na和CS/PACG-Ca²⁺水凝胶的应力分别为 0.96和1.12 MPa，模量分别为0.14和0.36 MPa。CS/PACG-Ca²⁺水凝胶的抗压强度显著增强，约为103.6 MPa，超过了大多数先前关于坚韧水凝胶的报道值。CS/PACG-Na水凝胶的抗压强度从45.1 MPa 增加到79.7 MPa（约 95％应变）。由于多种物理相互作用的协同效应，包括链缠结、离子网络和氢键，这些DN水凝胶表现出良好的能量耗散机制和自我恢复能力，具有大的滞后环和短的恢复时间。
（四）构建具有抗溶胀性能的壳结构DN水凝胶的通用方法
制备与性能：使用相同的浸泡策略在AlCl₃溶液中制备了CS/PACG-Al³⁺水凝胶，调整多价阳离子从Fe³⁺到Al³⁺没有形成硬壳，而是形成了灵活的致密层，即使扭曲成螺旋形或打结也能与水凝胶内部一起强力拉伸而不破裂。CS/PACG-Al水凝胶仍具有优异的机械性能、良好的自我恢复能力、方便的储存和出色的抗溶胀性能，可保留其初始孔隙结构和机械强度长达一年，即使在一些严格的情况下也是如此。
结构分析：这种核/壳梯度结构主要归因于强羧基-Fe³⁺配位。当Fe³⁺离子从周围溶液扩散到水凝胶中并与羧基结合时，形成三维价键结构（（COO-）M）（M指三价阳离子），从而导致致密的聚合物网络。由于三价铁的梯度浓度，形成了一个由软核包围的硬壳的两层水凝胶结构。这种高交联聚合物层赋予水凝胶优异的尺寸稳定性。当离子相互作用减弱时，这个致密层从硬变为灵活甚至消失，实现了从抗溶胀到超级溶胀水凝胶的转变。交联剂离子（即多价阳离子的电荷和离子半径）决定了水凝胶的交联度和性能（即溶胀和力学性能）。我们提出，具有更高电荷和更大离子半径的阳离子将同时与不同PACG链的更多羧基相互作用，产生更大的配位数和更紧密的结构，这也可用于构建具有保护壳层的抗溶胀水凝胶。
（五）从 “超级溶胀” 到 “抗溶胀” 的可逆转变
转变过程：通过离子交换操作，CS/PACG-Ca²⁺水凝胶可原位转变为核/壳结构，伴随用 Fe³⁺替换Ca²⁺的离子交换操作。因为具有更高电荷和更大离子半径的Fe³⁺阳离子相比于Ca²⁺能优先填充PACG聚合物块之间更大的空间，形成更紧密的结构。反之，这些水凝胶也可以通过依次在乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA・2Na）和CaCl₂溶液中孵育恢复为原始水凝胶。
特殊现象：将溶胀的水凝胶放入FeCl₃溶液中，水凝胶几乎恢复到原始体积且结构均匀，这是因为越来越多的Fe³⁺离子有助于渗透到溶胀的水凝胶中并均匀分散与PACG的羧基反应。
三、结论
通过简便通用的浸泡策略制备了具有 “盔甲”的坚固CS/PACG DN水凝胶，其具有完整的网络和优异的机械性能，高强度和断裂能超过了大多数报道的坚韧水凝胶。强羧基-Fe³⁺配位相互作用形成的硬壳结构是水凝胶优异力学性能的核心，使其在水中溶胀半年后仍能保持尺寸稳定性和抗溶胀能力。减弱羧基-低价金属配位复合物之间的相互作用，CS/PACG复合水凝胶可转变为最大溶胀比为44000％的超级溶胀DN水凝胶。通过简单控制各种金属离子溶液的浸泡顺序，可以实现可逆的 “超级溶胀”⇔“抗溶胀”转变，该策略具有通用性，适用于在生物医学、机器人等制造领域生产具有扩展功能的天然或合成水凝胶。
参考文献：
Dou X, et al. One-Step Soaking Strategy toward Anti-Swelling Hydrogels with a Stiff "Armor". Adv Sci (Weinh). 2023 Mar;10(9):e2206242.