有机无机杂化水凝胶的设计构筑及其纤维成形机理研究

Anisotropic organic/inorganic hybrid hydrogels (H-Gels) and the gel fiber materials (GFs) that exhibit surprising high mechanical strength and particular functionalities (e.g. magnetic, temperature, pH, etc.) transfer characteristics, allows for the utilization in diverse fields especially tissue engineering and bio-medicine. However, the application of existing hydrogels suffers from their inherent limitation. Here we develop a novel “bottom-up” platform based on the whole chain mode strategy that from nano-building blocks design to micro-structures assembly to macro-materials construction. The new hydrogels are achieved by using functional (such as light, electricity, magnetic) inorganic nanoparticles (NPs) as active cross-linking agent with diverse dimensions and special surface structures, for the construction of organic/inorganic hydrogels and fibers with controllable structure and functions. Furthermore, the dynamic-crosslinking-spinning will be introduced to realize one-step fabrication of novel GFs. In this project, we will systematically study the polymerization process of monomers on NPs surfaces and their interfacial interactions on molecular level, to realize the functionalities transfer and even amplification from NPs themselves to macroscale bulk hydrogels; in-situ online monitor the forming process of H-Gels and GFs, to reveal the revolution process of their condensed structures under complex external field; explore the relationship between nano/microstructure and responsiveness in bulk hydrogels, to provide new mechanisms and techniques for the construction of new generation of H-gels and GFs with integrated structure and function, achieving their application in fields of tumor diagnosis and treatment.

具有高力学性能、功能传递与放大特性的各向异性水凝胶及其纤维材料是组织工程、生物医药领域急需而一直难以突破的材料。本项目拟以“微观单元设计-介观结构组装-宏观材料构筑”为研究思路，以具有光/电/磁等本征功能和特殊表面结构的多维度无机纳米材料(NPs)为活性交联点，以可聚合的齐聚物为有机单体，自下而上地设计构筑尺度、维度及功能可控的有机/无机杂化水凝胶(H-Gels)；并进一步建立动态聚合纺丝新方法，一步连续制备具有三维网络结构的有机/无机杂化水凝胶纤维(GFs)。系统研究反应单体在NPs表面的聚合及键接方式，实现NPs功能在H-Gels中的传递与放大；在线跟踪H-Gels制备与GFs成形过程，揭示H-Gels、GFs凝聚态结构在复杂外场下演变规律，阐明其微/介观结构与宏观响应性能的构效关系，为制备结构功能一体化新一代H-Gels、GFs提供新原理、新方法，并实现其在肿瘤诊断治疗中的应用。

水凝胶是一类具有三维交联结构的软湿性材料，其高含水、高孔隙率、溶胀而不溶解等特性与人体器官高度匹配，因此模拟人体组织器官结构，制备兼具高力学性能、智能响应、功能传递与放大特性的各向异性水凝胶及其纤维材料，在组织工程和生物医药领域具有重要的战略意义。本项目以“微观单元设计-介观结构组装-宏观材料构筑”为研究思路，按照项目计划书的目标积极推进相关研究工作。自立项以来，项目负责人带领团队围绕总体及年度目标积极开展工作，进展情况简述如下。通过结构设计和反应调控，制备了系列多维度、多结构、多功能的无机纳米粒子，并用于有机/无机杂化材料的构筑与功能化修饰；通过无机纳米颗粒/有机基体相界面调控，制备了系列具有吸附、保温、隔热、抗冻、导电、变色、变形等功能的智能凝胶材料，深入研究了有机/无机界面相互作用调节机制，阐明了界面相互作用对材料的理化特性及服役行为的影响规律；进一步建立凝胶纤维纺丝新方法，针对凝胶难以成纤的难题，创新性地提出了动态交联、“聚合-拉伸”等纺丝策略，在纺丝过程中同步实现凝胶网络成形，解决了凝胶纤维成形难的问题，并揭示了纺丝液流变行为及反应动力学对可纺性的影响规律，构建了系列具有三维网络结构的有机/无机智能杂化凝胶纤维；并通过小角散射、同步辐射、流变等测试手段原位跟踪凝胶纤维成形过程，揭示其凝聚态结构在复杂外场下演变规律，阐明其微/介观结构与宏观响应性能的构效关系，为制备结构功能一体化的新一代的智能凝胶和凝胶纤维提供新原理、新方法；最后基于上述构筑的系列结构可控、力学性能可调的凝胶纤维，深入探索了其在深层组织下的光热癌症治疗、光遗传学及智能检测领域的应用。项目执行期内，在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、National Science Review、Chemistry of Materials等期刊发表论文47篇（其中SCI论文44篇，中文论文3篇），申请发明专利13项（其中授权10项），科研成果被世界百强化学家Evgeny Katz教授等国内外学者积极评价。其中培养出站博士后6名，博士9名、硕士8名，项目负责人及团队成员获各级别人才计划11项，团队获上海市自然科学一等奖（2018）、黄大年式教师团队（2018）。