温度诱导胶束强化动态共价交联智能水凝胶的研究

It is of great significance to explore the construction of smart hydrogels with good mechanical properties and stability, self-healing ability and sol-gel transition for their application in biomedicine. In this proposal, resorting to the introduction of hydrogen bonding and the formation of micelles which encapsulate the dynamic covalent bonds in microdomains under temperature trigger, the smart hydrogel with the abovementioned properties will be prepared. We will firstly synthesize well-defined five block copolymers by reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT). As for the five block copolymers, the hydrogen bonding can form between the three middle blocks, and the ending blocks contain ketone or hydrazide moieties and exhibit temperature responsiveness. Based on the forming and breaking of acylhydrazone between ketone and hydrazide group upon pH variation, the mixture of the two copolymers can undergo the sol-gel transition. In the formation of hydrogel, micelles will form in network by increasing the temperature, and the micelles will encapsulate the dynamic covalent bonds in microdomains, which will improve the mechanical properties of hydrogels. The process will be reversible by cooling. Combination the testing results of hydrogel’s performances and investigation of microstructure of hydrogels will reveal the responsive mechanism. And then the scientific correlation between polymer structure, triggers (pH and temperature), hydrogel’s structure, and gel’s properties including mechanical properties, stability, self-healing and sol-gel transition ability will be elucidated, providing the theory and scientific data for its potential application.

探索构建具有好的力学性能和稳定性，又能自愈合以及溶胶-凝胶转变的动态共价键智能水凝胶的研究对其在生物医学等领域的应用具有重要意义。本项目提出在动态共价键凝胶单一网络中引入氢键基元，以及能够微区温度诱导形成胶束并“封装”动态共价键的机制用于构建具有上述性能的智能水凝胶的思路。拟通过可逆加成—断裂链转移聚合制备形成氢键且两末端嵌段具有温敏特性并含酮羰基或酰肼基五嵌段聚合物；将两者复合，通过pH调控酮羰基和酰肼基之间酰腙键的形成或断裂，使体系发生溶胶-凝胶转变；在酰腙键成键下，通过温度诱导温敏嵌段形成胶束，并“封装”动态共价键，实现凝胶力学性能的提高；降低温度，其又具有可逆性。通过凝胶性能评价和内部微观结构的分析，揭示其智能响应的机理，构建分子结构—刺激因子（pH和温度）—凝胶网络结构—凝胶力学性能、稳定性、自愈合以及sol-gel转变能力之间的内在科学关系，为它潜在的应用提供理论和基础数据。

探索构建具有好的力学性能和稳定性，又能自愈合以及溶胶-凝胶转变的动态共价键智能水凝胶的研究对其在生物医学等领域的应用具有重要意义。目前，动态共价键交联制备的智能水凝胶已经陆续报道，但具有优异的力学性能以及稳定性的智能水凝胶的报道却较少。本项目采用具有温敏性的嵌段共聚物构建动态共价键智能水凝胶，同时引入氢键，利用温度响应形成胶束结构，可逆的封装动态共价键，获得了力学性能和稳定性可调控的智能水凝胶。主要研究内容如下：.1.通过三嵌段聚合物构建动态共价键交联智能水凝胶，合成了一系列结构明确的且分子量可控的含N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、双丙酮丙烯酰胺(DAAM)和丙烯酰胺(AM)的三嵌段聚合物，制备了一系列pH、温度响应的水凝胶。基于酰腙共价键的动态可逆特性，获得的水凝胶都具有很好的自愈合性，且在不同pH值（3-6）下可以实现溶胶（sol）-凝胶（gel）转变。利用温度响应诱导PNIPAM链收缩形成胶束结构，进而“封装”酰腙键，不仅水凝胶的力学性能得到提升，而且水凝胶在酸性条件下的稳定性获得大幅的提升。.2.通过五嵌段聚合物构建动态共价键交联智能水凝胶。制备了一系列含PEG、NIPAM、DAAM和AM的五嵌段聚合物，获得了一系列含动态酰腙共价键的水凝胶，验证了其具有较好的自愈合性和灵敏的温度响应性。由于PEG的引入，凝胶网络的氢键和温度诱导胶束共同强化酰腙动态共价键，水凝胶的力学性能和流变模量均得到了增强。降解实验表明：在低温和酸性条件下，水凝胶易被降解，在升温后，水凝胶稳定性增强。.3.通过大分子交联剂构建动态共价键交联智能水凝胶。合成了F127(Mn=12600)和PEG(Mn=2000)末端含酰肼的大分子交联剂，制备了一系列具有温度和pH响应的水凝胶，凝胶展现出sol-gel转变行为和较好的自愈合性。此外，F127酰肼交联的水凝胶力学强度高于PEG酰肼交联的水凝胶，说明胶束交联有助于增强水凝胶的力学性能。此外，温度诱导胶束形成，与胶束交联共此外，温度诱导胶束形成，与胶束交联共同作用，使得水凝胶的强度比低温下增强了数倍，且高于上述水凝胶的力学强度。而且，不同pH（2，7.4）和温度（5℃，40℃）的PBS溶液的降解实验表明：在40℃下，水凝胶的稳定性远远高于5℃。