自修复且耐疲劳的高强度双网络水凝胶

Double network hydrogels (DN gels) are unique interpenetrated networks consisting of two kinds of polymer networks with strong asymmetric structures, which exhibit very excellent mechanical properties and high toughness. However, conventional DN gels often show negligible fatigue resistance and they are also without self-healing abilities, which are severe drawbacks as applied in the successive and devastating loading circumstances. In this proposal, based on the synergistic effect of three kind of weak interactions (electrostatic interactions, hydrophobic interactions and hydrogen bonding interactions) in second network, the f&h-DN gels with fully physical cross-linkings network structures, consisting of rigid & brittle agar gel as first network and strong & tough hydrophobically associated hydrogels as second network will be prepared by “one-pot” method, which demonstrate high strength, remarkable fatigue resistance, notable self-healing properties. We focus on the effect of strength and toughness of second network on the mechanical properties of f&h-DN gels, and the influence of synergistic effect of weak interactions on the fatigue resistance and self-healing properties of f&h-DN gels. We hope this proposal strives to provide a better fundamental understanding of the influence of second network on the properties of DN gels, as well as the structure-property relationship, strengthening and toughening mechanisms of DN gels, which help to develop new DN gels with novel structures, highly mechanical, intelligent and multi-functional properties. It is our belief that this proposal will also open a new avenue to dissolve the fact that the self-healing ability of DN gels is opposite its excellent mechanical strength.

双网络水凝胶（DN凝胶）是一种特殊的互穿网络水凝胶，具有高的强度和韧性，但通常耐疲劳性能差，也没有自修复能力，限制了其在周期性和破坏性受力环境中的应用。基于第二重网络中的弱相互作用（即疏水-疏水相互作用、静电相互作用和氢键相互作用）的协同效应，本项目拟以刚而脆的琼脂物理凝胶为第一重网络、强而韧的疏水缔合凝胶为第二重网络制备新型全物理交联、高强度、耐疲劳和可自修复的f&h-DN凝胶，主要考察第二重网络的强度和韧性对DN凝胶机械性能的影响、弱相互作用的协同效应对凝胶的耐疲劳和自修复性能的影响，探讨f&h-DN凝胶增强增韧、耐疲劳和自修复的机理。通过本项目研究，将更加清晰认识第二重网络对DN凝胶性能的影响，加深对DN凝胶结构与性能关系以及增强增韧机理的认识和理解，为解决DN凝胶高强度与自修复能力相矛盾的难题，设计新型结构、高性能、智能化和多功能化的DN凝胶提供一定思路和方向。

双网络水凝胶（DN凝胶）是研究最为广泛和深入的高强度水凝胶之一，但传统的全化学交联DN凝胶耐疲劳性能差、也无法自修复，限制了DN凝胶的发展和应用。本项目利用琼脂、明胶和牛血清蛋白和鸟苷等生物大分子或小分子的溶胶-凝胶转变特性制成第一重网络，并在第二重网络中引入氢键、疏水缔合、离子配位等物理相互作用，制备了全物理交联或者杂化交联的双网络水凝胶（DN凝胶），研究了这些DN凝胶的机械性能、自恢复、耐疲劳和自修复等性能，探讨它们的强韧机理，主要研究内容包括：（a）全物理交联DN凝胶的性能研究：设计了全物理交联的琼脂/聚丙烯酰胺（Agar/PAAm）DN凝胶和明胶/聚丙烯酰胺（Gelatin/PAAm）DN凝胶，考察了各种因素对凝胶性能的影响，优化后的凝胶表现出高强度、快速的自恢复又具有一定的自修复性能；（b）第二重网络强度对DN凝胶性能的影响：在杂化琼脂/聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（Agar/PAMAAc）DN凝胶中引入Fe3+，利用羧基和Fe3+的离子配位相互作用，大幅提高第二重网络的强度，研究发现Agar/PAMAAc- Fe3+ DN凝胶的机械性能得到大幅提升，并且表现出快速的自恢复和优异的耐疲劳性能；（c）新型DN凝胶的设计与性能研究：提出利用球蛋白的热变性和DN策略来制备高性能球蛋白/合成高分子杂化水凝胶的通用策略，以牛血清蛋白（BSA）为模型，所制备的DN凝胶不仅具有高强度和自恢复的性能，还能强韧地黏附在多种无孔固体表面；提出利用DN策略增强增韧小分子超分子凝胶的通用策略，设计制备了G4.K+/聚（N, N’-二甲基丙烯酰胺）（G4.K+/PDMAAm）DN凝胶，发现该凝胶不仅具有优异的机械强度和韧性，还具有非常快的自恢复和优异的耐疲劳性能; 设计和制备了基于胆酸钠的超分子/聚合物DN凝胶，凝胶不仅具有高强度、高韧性和快速的自恢复，而且还具有离子导电性，可用作人体运动监测的应变传感器。通过本项目的研究，加深了对DN凝胶结构与性能关系及其增强增韧机理的认识，为设计新型结构、高性能和多功能化的DN凝胶提供了一定思路。