多官能自组装胶束交联的高强韧和多重响应型水凝胶合成、结构、性能及静电-氢键协同组装

Multiresponsive polymer hydrogels are promising for many applications, which is usually limited by poor mechanical propertiies. It remains a challenge to improve the strength and toughness of hydrogels and to assemble such smart hydrogels into devices. Our group have synthesized hydrogels by using functionalized triblock copolymer micelles as macro-crosslinkers, which showed high strength, toughness, fatigue resistance, and multiresponsiveness. Herein, we further propose to use diacrylated PEO-PBD-PEO triblock copolymer micelles as crosslinkers to copolymerize with neutral and/or ionic monomers to synthesize a series of hydrogels. This proposal will focuses on (1) The effect of micelle structure on the structure and properties of the obtained hydrogels; (2) the manipulation of structures, properties, and responsiveness of hydrogels, and (3) fabrication of hydrogel devices through "self healing" and the responsiveness of devices. The research aims to establish a versatile novel method to synthesize strong and functional hydrogels, to elucidate the mechanism behind the toughness and responsiveness of these micelle-crosslinked hydrogels, and to integrate the multiresponsive hydrogels into devices that respond to external stimuli in a controlled manner. The results of these study will facilitate the design and synthesis of strong and smart hydrogels, and the fabrication of hydrogel devices with sophisticated functions.

多重响应型高分子水凝胶具有重要的应用前景，但大多机械性能较差。如何合成强韧响应型水凝胶，并组装成器件，是仍需解决的科学问题。申请人小组以功能化的嵌段共聚物胶束为巨型交联剂，合成了高强度、韧性、抗疲劳、多重响应型水凝胶。本项目拟以双官能PEO-PBD-PEO共聚物胶束为交联剂，与中性或离子型单体共聚，并引入成氢键单元，合成一系列水凝胶，着重研究：胶束结构对水凝胶结构、粘弹性以及力学性能的影响；电荷类型与含量等对水凝胶结构、溶胀、力学性能和响应行为的影响；水凝胶中静电与氢键协同作用对“修复”组装的贡献。旨在建立一种具有普遍适用性的合成高性能与功能型高分子水凝胶的新方法；阐明此类胶束交联水凝胶的结构对力学性能和响应功能的影响规律。在此基础上，利用水凝胶之间静电吸引和氢键的协同作用“修复”组装，制作结构可控的水凝胶智能响应器件，实现可程序化驱动。本项目将为研究新型智能水凝胶及其潜在应用奠定基础。

多重响应型高分子水凝胶在人工肌肉、柔性仿生驱动器等领域具有重要的应用前景。传统水凝胶存在机械性能差、驱动速度慢、器件制备复杂等问题。如何合成强韧响应型水凝胶，构筑多重响应型水凝胶智能器件，是仍需解决的科学问题。本项目制备了F127DA胶束交联水凝胶，研究了水凝胶结构与性能之间的关系，研究了水凝胶对pH、离子强度、温度、电场等的响应行为，实现了水凝胶的宏观组装，构筑水凝胶驱动器，为发展新型高性能与智能水凝胶器件提供了新策略。代表性成果包括：.（1）以F127DA胶束为巨型交联剂，发展了一种适用于中性、离子型、温敏型等多种单体的合成高性能、响应型高分子水凝胶的新方法。.（2）系统地研究了胶束交联水凝胶和纳米复合水凝胶的结构与性能之间的关系，阐明了胶束中疏水缔合作用在能量耗散、耐疲劳等突出性能中发挥的关键作用。.（3）利用胶束交联、纳米复合等多种手段，实现了对响应温度、电场响应速度、pH响应等行为的有效调控，为设计和合成高性能响应型水凝胶材料提供了新策略。.（4）利用多步合成方法，将具有不同响应行为的水凝胶集成为静电的双层凝胶器件，研究了水凝胶在温度、pH、离子强度等作用下的可逆驱动行为。.（5）针对水凝胶驱动速度慢的难题，提出了基于棘齿结构的新策略，实现了双层水凝胶驱动器的可控跳跃，为发展新型快速驱动水凝胶器件提供了新思路。.（6）基于静电、氢键、主客体作用等原理，实现了多种响应型水凝胶的宏观组装，为构筑具有复杂结构和多重功能的水凝胶智能器件提供了新思路。.项目成果以第一作者或通讯作者在ACS Applied Materials & Interface, Journal of Materials Chemistry B, Chinese Journal of Polymer Science等期刊发表论文18篇。.培养博士后1名，晋升高级职称1名，毕业博士研究生3名，硕士研究生8名。.应邀担任Journal of Materials Chemistry B和Journal of Polymer Science编委、客座编辑，以及MRS秋季会议、全国生物材料大会等重要学术会议的分会主席（召集人），2019年当选中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员。