弱相互作用力协同诱导的高强度、弹性超分子水凝胶的构建与性能研究

There is an urgent and inevitable market demand of the development of strong supramolecular hydrogel and shape-memory polymers under mild conditions in the field of artificial biological materials. The main objective of this project is to construct a series of linear functional polymers, which contain weak interaction groups（hydrogen bonding and short hydrophobic chains） in the main-chain.These polymers not only can form strong and highly elastic supramolecular hydrogels due to the positive cooperativity between hydrophobic force and hydrogen bonding in aqueous medium,but also have water-responsive shape-memory property. Relationships among the molecular structures of the polymers,the microstructures and macroscopic properties（modulus，elasticity and shape-memory behavior and so on） of the hydrated and dehydrated polymer films will be described using different techniques, such as NMR,GPC,DSC,TGA,XRD,SEM,TEM,AFM,DMA, rheology,tensile-test and so on, then processing properties of the solution and bulk state of the material will be studied in detail. Furthermore, electro-spinning and droplet-based microfluidics techniques will be used to prepare fibers and monodisperse microcapsules of the aboved mentioned supramolecular hydrogels.These studies will greatly benefit both the theoretic and application researches on strong and functional supramolecular materials based on weak interactions.

高强度、弹性超分子水凝胶和温和条件下的形状记忆型聚合物在生物医用材料领域有着巨大和迫切的市场需求。本项研究旨在构建一种主链含弱相互作用基团(氢键和疏水短链)的功能性线型聚合物。该聚合物既可在水介质中利用疏水聚集作用与氢键间的协同增强效应形成一种高强度、弹性超分子水凝胶，又具有水响应性形状记忆功能。利用各类测试技术（NMR、GPC、DSC、 TGA、XRD、SEM、TEM、AFM和流变仪、拉伸仪等）对所得材料分别从分子结构到微观结构，再到材料的宏观性能（强度、弹性和形状记忆行为）进行全方位的表征，揭示各项结构与性能参数间的关系,并对其溶液和本体的成型加工性能进行系统研究。进一步利用静电纺丝和液滴微流控技术，制备超分子水凝胶纤维和单分散微胶囊。该项目对基于弱相互作用的高强度功能性超分子材料的理论和应用研究具有重要的意义。

本项研究按照原计划书设计理念，构建了一系列主链含不同氢键基团和不同长度疏水短链的功能性线型聚合物。研究了氢键与疏水短链在高含水量凝胶体系中的协同增强效应。在一定条件下，这些聚合物可以利用疏水聚集作用与氢键间的协同增强效应形成一种高强度、弹性超分子水凝胶。此类水凝胶又具有温和条件下的水响应性形状记忆功能。利用GPC、NRM、TGA、SEM、XRD、拉伸和流变等测试手段，对聚合物的分子结构、材料的微观结构和宏观性能（模量、弹性和形状记忆等）进行了详细表征与关联。此外，我们还进一步将这种协同增强效应扩展开来，制备了两种胶束交联的可超长拉伸的高弹性水凝胶，和一种新型的超高强度聚氨酯脲超分子水凝胶。该项目对基于弱相互作用的高强度功能性超分子材料的理论和应用研究提供了重要的参考价值。受本项目基金资助，相关研究结果已发表SCI研究论文5篇，申请中国发明专利2项，合作培养硕士研究生两名，目前仍在读硕士3名