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西北大学于游课题组《自然·通讯》:基于正交可见光化学反应的多重聚合物网络凝胶快速高效构筑策略2020-10-15

2003年,北海道大学龚剑萍教授以“Double‐Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength”为题首次提出以多重聚合物网络设计策略来提高凝胶力学性能和韧性(Advanced Materials, 2003, 15, 1155),为解决传统凝胶力学和韧性兼容性问题提供了有效方案。哈佛大学锁志刚教授随后提出分别以离子键和共价构筑韧性和力学性能可恢复的多重网络聚合物凝胶设计思想对该领域发展起到了巨大的推动作用(Nature, 2012, 489, 133)。在此基础上,众多研究工作展示了高性能凝胶的巧妙设计和在柔性电子、组织工程、传感等领域的良好应用前景。不过随着研究的不断深入,人们发现聚合物凝胶制备仍然需通过多步、长时间紫外光或热引发方式来完成,多重网络结构特点使得该类凝胶不能像传统凝胶那样快速制备和高精度结构化制造,复杂的使用环境也会明显削弱凝胶的力学和韧性性能,限制了该类材料的广泛应用。西北大学于游课题组一直围绕基于快速光化学反应的功能聚合物合成与应用开展研究,成功实现了可降解聚合物薄膜、凝胶和超分子组装体构筑,以及柔性电子电路的简便设计与制造Advanced Materials, 2016, 24, 4926; Chemistry of Materials, 2018,30, 3752; Polymer Chemistry, 2018, 9, 138; Macromolecular Rapid Communications,2019, 40, 1900441; Chemical Science, 2020, 11, 8224)。基于上述思考和前期研究基础,我们提出一种在温和条件下利用快速正交光化学反应来制备多重网络凝胶的结构设计策略,成功将凝胶制备过程缩短至秒/分内一步完成。多重增韧机制使得凝胶在苛刻条件下仍然保持良好的力学性质和韧性。同时该方法能够和传统图案化、打印技术相结合实现韧性凝胶制备和高精度图案化一体成型。该策略能够将传统水凝胶易制备和结构化设计特点与韧性聚合物凝胶的优良力学特性有效结合,为高性能和复杂结构凝胶的制备和应用提供了新的技术参考路线。图1.一步法构建可见光辅助多机制设计(THVMD)水凝胶图2.打印技术设计THVMD图案和3D结构图3.使用THVMD水凝胶作为透明电极的集成电子系统。

该研究成果以“Visible-light-assisted Multimechanism Design for One-step Engineering Tough Hydrogels in Seconds”为题发表在Nature Communications上并申请相关专利一项。西北大学硕士生汪聪、肖文清、张萍博士为共同第一作者,于游教授为通讯作者。研究得到了西北大学信息科学与技术学院邓周虎教授、西安交通大学前沿科学技术研究院郭保林教授和香港理工大学郑子剑教授的大力支持,也得到了国家自然科学基金、博士后科学基金和陕西省自然基金的资助。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18145-w来源:高分子科学前沿