基于多重脲基的高强度超分子水凝胶的制备、结构与性能

Supramolecular hydrogels can be widely used in various areas, including biomedical, tissue engineering, intelligent soft device and so on. Most of the reported supramolecular hydrogels based on small molecular weight hydrogelators are often weak or brittle, which limits their potential uses in many areas. Studies on the preparation, structure and mechanical property of novel strong supramolecular hydrogels will not only extend the potential applications of supramolecular hydrogels in different research fields, but also have significant theoretical references for the development and actual utilization of supramolecular chemistry and supramolecular materials. . Different kinds of functional supramolecular organic gels have been developed based on the strong hydrogen bonding interactions between urea units. Construction of equilibrium swelling strong supramolecular hydrogels based on urea unit is still a great challenge. In this project, a novel strategy for multi-urea based strong supramolecular hydrogel is proposed. With the combination of the viscoelasticity of long polymer chains and the cooperatively enhancing effect between multi-urea unit and hydrophobic force or that of short polyurea chains themselves, a series of equilibrium swelling strong supramolecular hydrogels will be constructed. The mechanical properties of the obtained hydrogels will be adjusted by the chemical components and the experimental conditions. The relationships among the molecular design, macroscopic mechanical property and the microstructure of the obtained strong supramolecular hydrogels will be studied in detail.

超分子水凝胶可广泛应用于生物医学、组织工程和智能柔性器件等领域。现有的基于小分子凝胶因子的超分子水凝胶大多较弱/脆，使其在许多领域的潜在应用受限。新型高强度超分子水凝胶的构建、结构与性能研究，不仅可以拓展超分子水凝胶在不同领域的潜在应用，也对超分子化学和超分子材料的发展与实际应用具有重要的理论意义。. 具有强氢键作用的脲基已被广泛应用于制备各种功能性超分子有机凝胶，但基于脲基的溶胀平衡态高强度超分子水凝胶的构筑具有一定的挑战性。本申请提出了一种基于多重脲基的高强度超分子水凝胶的新思路，主要是利用多重脲基与疏水聚集作用间或聚脲短链自身的协同增强效应与线型高分子长链的粘弹性相结合，来构筑一系列新型大分子凝胶因子及相应的溶胀平衡态仍具有高力学性能的超分子水凝胶。并通过控制化学组成和实验条件来调节凝胶的机械性能，系统探索高强度超分子水凝胶的分子设计、宏观机械性能与微观结构间的关联。

传统水凝胶往往较弱/脆，使得其实际应用范围大大受限。目前所报道的高强度水凝胶多以共价交联或共价-非共价共交联的方式，通过在特定模具中原位聚合或交联一次成型，加工成型性能欠佳。而具有弱而可逆的非共价交联网络体系的超分子水凝胶具有诸多的优越性，但其弱而可逆的交联网络特性却往往伴随着机械性能和化学稳定性的缺失。.本研究课题通过简单的“一锅两步法”，以水为间接扩链剂，在过量二异氰酸酯存在条件下，成功合成了一系列主链含疏水性多重脲基短链的线形聚氨酯脲共聚物。这些共聚物具有良好的溶解性和热塑性。可通过溶液涂膜或热压膜工艺制备宏观尺寸的水凝胶膜。研究结果表明：所制超分子水凝胶膜的平衡含水率在55%-75 wt%，拉伸断裂强度为2-14 MPa，断裂伸长率为600-1400%，拉伸模量在0.5-6 MPa，断裂能在10-60 MJ m-3，储能模量Gʹ在35 kPa-180 kPa；所研制水凝胶还具有耐盐、易杂化、易加工和可回收的特性。在此工作基础上，还进行了一系列的扩展研究：1）进一步通过在主链中引入各种动态共价键的策略，制备了一系列高强度、刺激响应性超分子水凝胶；2）以彩色三原色小分子二元醇为扩链剂，制备出三原色大分子凝胶因子，依据简单的三原色混合原理，制备出了一系列全彩系高强度炒超分子水凝胶，进一步用肉眼可视的颜色来编码标记所制水凝胶的特性；3）通过与离子液体的简单混合，制备出了一系列具有高透明度（透光率﹥93%）、可拉伸（断裂伸长率1500-2500%）、高电导率、可3D打印、黏附、可回收、自修复等综合性能优异的离子凝胶，并对其在拉伸传感器方面的应用研究做了详细探讨；4）以端双羟基温敏性低聚物为扩链剂，制备出了一系列适合于力学刺激下细胞片层培养的高强度超分子水凝胶；5）通过简单的互穿网络策略，制备了一系列具有温敏性的高强度互穿网络水凝胶。.本研究为制备易加工成型、超强、耐盐、易杂化复合、可回收利用的高性能、功能性超分子凝胶的研究提供了一种新思路。