仿海蜇结构和性能水凝胶

Biological gels are usually elastic and tough at high water content, due to the well-developed ordered and hierarchical aggregation structure of biomacromolecules and the strong interactions among them. In recent years, study on the fabrication of hydrogels with high mechanical strength and their structure-property relationships has become a hot topic, but the preparation of strong hydrogels based on the bionic principle has not been reported yet. Selecting jellyfish, a relatively simple biological gel, as the object of study, this project aims to prepare hydrogels with similar microstructure and properties as that of jellyfish. Our preliminary studies have confirmed that the jellyfish has a unique micro-structure, high mechanical strength and unique anisotropic swelling properties. More in-depth study on the structure and properties of jellyfish will be made to illustrate their relationship. On this basis, hydrogels with microstructure and properties similar to that of jellyfish will be prepared by using appropriate materials and methods, and by regulating the chemical and physical structures to mimic the mechanical and swelling properties of jellyfish. This study may provide gel scientists with new ideas in designing and fabricating hydrogels with well-defined microstructures and unique mechanical and swelling properties. These biomimetic jellyfish hydrogels may find potential applications in biomedical, soft mechanical devices and some other fields.

生物凝胶通常在高水含量下依然具有良好的弹性和韧性，其原因就在于生物凝胶大多具有规整有序的、多层级的聚集态结构，以及生物大分子之间较强的相互作用力。近年来关于高机械强度水凝胶的制备和性能结构研究已成为一个热点，但依据仿生原理来制备高强度凝胶的研究还未见报道。本项目拟选择一种结构相对简单的生物凝胶-海蜇作为研究对象，开展利用仿生技术制备具有类似海蜇结构和性能水凝胶的研究。前期研究已证实海蜇具有独特的微观结构、高的机械强度和独特的各向异性的溶胀性能。本项目拟对海蜇的结构与性能进行较为深入的研究，进一步揭示结构与性能之间的关系。在此基础上采用多种原料和方法制备具有类似海蜇微观结构的水凝胶，并通过调控化学结构和物理结构得到与海蜇相似的机械性能和溶胀性能等。这项研究可能为人们在设计和制备具有规整的结构和独特的机械和溶胀性能的水凝胶提供新思路。这些仿海蜇结构凝胶可以应用于生物医学、软机械部件等领域。

海蜇中胶层具有各向异性的多层次纳米结构，这使其在极高含水量的情况下依然具有高的机械强度。制备具有类似海蜇微观结构和性能的水凝胶是一个巨大的挑战。本项目采用多种原料和方法制备了多种具有类似海蜇结构和性能的水凝胶体系。其中，利用定向冷冻-解冻法制备的PVA-氧化石墨烯(GO)纳米复合凝胶，具有与海蜇类似的微观结构和非常接近的含水量、机械性能以及环境敏感性。采用定向冷冻辐照聚合的方法制备了具有纳米线结构的聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）仿海蜇凝胶。在理解海蜇结构和作用力的基础上，开发了多种新的制备具有独特微观结构和优异性能凝胶的方法。（I）利用聚合物和小分子化合物之间的氢键作用自组装形成纳米线和纳米片层，非常方便地制备出具有优异的力学性能、可加工性能以及形状记忆性能的超分子凝胶；（II）利用聚合物间相互作用，采用浸泡法大幅度提高凝胶力学性能；（III）利用氧化石墨烯的宏观取向液晶结构制备各向异性纳米复合水凝胶；（IV）以及利用聚合物和金属阳离子之间的静电作用选择性、区域化改变凝胶的交联度和溶胀性能实现凝胶的可控和复杂形变。利用海蜇及海蜇结构凝胶为模板制备了多种形貌的金属和金属氧化物纳米颗粒，并研究了这些纳米复合凝胶在催化领域的应用。这项研究为人们在设计和制备具有规整的结构和独特的机械和溶胀性能的水凝胶提供新思路。这些仿海蜇结构凝胶可以应用于生物医学、催化、能源、环境保护、软机械（传感器、执行器）、光学器件等领域。