北海道大学龚建平《材料化学》反复冷冻制备坚韧双/三网络超大孔隙水

【科研摘要】

具有海绵状结构和渗透性的超大孔隙水凝胶因其生物工程和生物医学应用而备受关注。但是，由于其低密度结构而导致的机械强度不足是其最大的局限之一。刚刚，日本北海道大学水凝胶领域著名专家华裔学者龚建平教授团队在9月《Chemistry of Materials》刊发了题为‘‘Preparation of Tough Double- and Triple-Network Supermacroporous Hydrogels through Repeated Cryogelation’’一文。这项工作报告了一种多步冷冻凝胶技术，该技术不需要特殊的设备即可根据双网络（DN）策略制备坚韧的超大孔隙水凝胶。所生产的超大型DN凝胶具有相互连接的孔，孔径为50–230 µm。它们还显示出高达约100 kPa的压缩模量，比相应的超大型单网络（SN）凝胶的压缩模量高2至4倍，在80％压缩率下的压缩强度高达1 MPa。超大型双网络（DN）冷冻胶凝体也可拉伸，延伸功达38 kJ m-3，比SN冷冻胶凝体大1至2个数量级。高刚度和可拉伸性使它们与其他类型的冰冻胶区别。还制备了由不同聚合物组合组成的超巨三元网络（TN）凝胶和DN凝胶。该文介绍的技术适用于由各种聚合物制备超大孔隙DN凝胶；因此，在满足生物工程和生物医学需求方面很有希望。

【前言】

大多数现存的超大孔隙水凝胶在机械上是薄弱的。这限制了它们的潜在应用。这种机械缺陷主要是由于两个原因。首先，材料的机械强度随着孔的体积分数的增加而降低。孔被认为是散装材料中的缺陷，通过这些缺陷会引发裂纹。第二，超大孔隙水凝胶通常由单网络（SN）水凝胶制成，由于缺乏能量耗散机制，它们本质上是弱材料。因此，提高多孔水凝胶机械强度的直接策略是将高强度水凝胶与合适的技术一起使用。

与由SN甚至其他互相网络（IPN）制成的常规超大孔隙水凝胶相比，衍生自DN凝胶的超大尺孔隙水凝胶具有更好的机械性能。此外，由于DN效应仅需要对比的DN结构并且不依赖于聚合物的化学种类，因此一旦建立，合成方法也可以应用于需要的各种聚合物，例如生物相容性聚合物。值得注意的是，这种方法可以帮助制备具有开孔形态的DN水凝胶，这使细胞得以增殖，因为这通常具有挑战性。

超大孔隙凝胶通常通过几种方法制备，包括颗粒浸出，溶剂浇铸，3D打印工艺，气体发泡，冷冻干燥和冷冻凝胶法.其中，冷冻凝胶法是最有希望的技术，因为它不需要特殊的设备或使用有毒溶剂。低温凝胶化涉及在存在作为致孔剂的溶剂晶体（通常是冰）的情况下进行的交联聚合反应，形成具有高度互连的孔的海绵状凝胶。在低于溶剂凝固点的某些温度下，凝胶前体溶液的溶剂形成晶体，而浓缩在溶剂晶体之间的间隙中的凝胶前体通过凝胶化形成凝胶。冰晶胶的孔径取决于几个因素，例如冷冻温度和速率，凝胶前体和引发剂的浓度（如果有）以及样品模具的大小和形状。

作者先前还尝试了制备具有增强的机械性能的冷冻凝胶，例如由两种相互交联的聚合物，IPN甚至是DN制成的混合冰晶胶。但是，这些先前关于多孔冷冻凝胶的研究几乎没有显示出改善的机械性能，因为在这些冷冻凝胶中没有形成DN效应所需的对比网络结构。此外，多步凝胶化可能导致孔隙结构断开。这种不连续的孔结构可能是由于使用聚合物前体代替单体而引起的，因为第二次凝胶化的速度比冻结快，因此第二次凝胶化发生在孔中，或者由于单体没有充分扩散到第一网络相中。

【图文解析】

在这项工作中，龚建平团队建立了两步冷冻凝胶化方法，以克服这些问题并合成具有高机械韧性和相互连接的孔结构的超大型DN水凝胶。根据DN理论，采用高度溶胀的聚电解质作为第一个网络，中性聚合物作为第二个网络。使用两步聚合过程将这些网络合并，以形成对比鲜明的双网络结构。为了保留第一步冷冻凝胶形成的相互连接的多孔形态，在第二步中控制了冷冻凝胶的形成。然后，使用紫外线引发的聚合反应，以使第二层网络在第一层网络的凝胶相中形成，而不是在孔隙中形成（示意图1）。因此，作者使用常规的DN系统，由聚电解质，聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸，钠盐）（PNaAMPS）作为刚性的第一网络和中性聚合物聚（丙烯酰胺）（PAAm）制成了超大尺寸水凝胶。柔性的第二层网络，聚（甲基丙烯酸2-羟乙酯）（PHEMA）和聚（N，N二甲基丙烯酰胺）（PDMAAm）。对这些DN低温凝胶的多孔结构和力学性能进行了表征。

示意图1.用于制备超大型DN凝胶的两步冷冻凝胶示意图。

SN冰晶胶的制备

在制备具有相互连通的孔结构的超大孔隙冰晶凝胶期间，聚合必须在冷冻后发生或比冷冻慢。然而，还已知进行聚合有助于系统冻结。因此，决定使用氧化还原引发系统（带有TEMED的APS）基于PNaAMPS聚电解质网络制备SN冰晶凝胶。在这种情况下，可以将聚合设置为比冻结慢，并且作者认为，与使用紫外线引发剂相比，样品更容易且均匀地冻结（辐照前不进行聚合）。冷冻触发的反应物浓度允许由稀释的单体溶液制备凝胶。示意图2中描述了SN冷冻凝胶的制备过程。具体也可参见原文。

示意图2. DN冷冻凝胶两步制备，各自的单体结构和样品编码的示意图。

DN和TN冰晶胶的制备

冷冻SN冰晶凝胶后，首先将其冷冻在水中，然后将其预先浸泡在第二单体溶液中，然后通过UV引发的聚合反应合成第二网络。聚合和冻结速率再次重要。一方面，如果样品的冷冻速度太快，则原始的SN冷冻凝胶大孔中会形成较小的晶体；另一方面，如果冷冻速度太快，则会形成较小的晶体。这会明显影响所得的DN凝胶形态。因此，第二层冷冻凝胶温度应不低于第一层冰晶凝胶温度。在两个步骤中都将冷冻凝胶温度保持相等，即-16°C。另一方面，如果第二网络聚合比冻结更快，则SN溶胀的SN的原始形态会受到孔内第二凝胶相形成的显着影响。但是，通过使用光引发剂解决了这个问题。它确保了在样品冷冻并且冰晶充满孔后可以引发聚合反应。为了确保DN相的形成，将样品冷冻后3个小时用UV照射，这样单体和引发剂就有足够的时间扩散到SN凝胶相中。示意图2中描述了DN冰晶凝胶的制备过程。具体也可参见原文。

SN和DN冰晶胶的比较

SN低温凝胶通常是脆性的，这是通过引入可延展的第二网络来强化的先决条件。具有4 mol％交联剂的样品0.44-4略微不透明（图1a），而具有1 mol％交联剂的样品0.44-1是透明的。有趣的是，超大型水凝胶甚至是透明的。这样的冰凝胶的凝胶相高度溶胀，使得凝胶相的折射率接近水的折射率。SN冷冻凝胶的（半）透明度可以确保在DN冷冻凝胶的制备过程中具有优势，因为它可以使紫外线在照射过程中均匀地分布在样品中。

图1. SN低温凝胶0.44-4（a）和选定的DN低温凝胶0.44-4 / 0.7-0.1（b）的外观和第一眼机械性能。SN和DN低温凝胶的SEM图像显示了两组样品的多孔形态（c，d）以及平衡回水率和孔隙率（e，f）。

冷冻干燥样品的SEM观察表明，在DN低温凝胶0.44-4和0.44-1系列的第2次冷冻凝胶化后，SN大尺寸小孔（约50–100μm）和相互连接的SN凝胶的原始总体形态得以保持（图1c，d）。引入第二个网络后，样品孔隙仅因溶胀而略有增加。例如，0.44-4/0.7- 0.1样品直径从约3.5 mm增加到约3.8 mm，对应于孔径增加了约9％或按体积的体积增加了约28％。随着聚合物含量的增加，平衡吸水量（Qw）随第二单体浓度的增加而降低（图1e，f）。

DN冰晶凝胶的机械性能

SN冰晶胶和相应的DN冰晶胶的压缩测试结果分别如图2a和3b所示。例如，由SN冰晶凝胶（样品0.44-4）制成的DN冰晶凝胶的压缩模量比原始SN冰晶凝胶的压缩模量高约2-4倍（取决于第二个PAAm网络的浓度）。通过比较压缩曲线下的面积（图2a）可以看出，DN冰晶凝胶在压缩下的韧性也比相应的SN冰晶凝胶强得多。通常，当SN凝胶0.44-4在60％压缩时的应力达到约15 kPa时，相应的DN凝胶0.44-4 / 1.4-0.1则大于100 kPa。更高的第二网络浓度导致更高的压缩模量和更坚韧的DN凝胶。先前有关IPN冰晶凝胶的一些研究表明，多孔凝胶的模量有所增加，但这并不一定意味着强度和韧性的显着提高。从SN凝胶0.44-1制备的DN低温凝胶中观察到了类似的趋势（图2c，d）。

图2.在压缩（ad）和拉伸（e-h）下测得的DN冰晶胶与原始SN冰晶胶的机械性能。

图3.以PHEMA作为第二网络的TN冰晶凝胶（a-d）和DN冰晶凝胶的力学性能和形态

DN冰晶胶的结构分析

为了观察处于原始溶胀状态的样品的结构，DN荧光凝胶0.44-4/0.7-0.1用荧光染料染色，并通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM;图4a-c）进行可视化。用罗丹明B染色的PNaAMPS 第一层网络（红色荧光）和通过与邻荧光素丙烯酸酯共聚染色的PAAm 第二层网络（绿色荧光）的图像显示出完美的重叠，证实了2网络主要是聚合的在第一层网络阶段而不是在毛孔中。DN冷冻凝胶0.44/0.7-0.1也用PbNO3溶液处理，从而可以通过纳米CT以足够的对比度可视化肿胀的样品（图4d-f）。

图4.通过CLSM（a-c）可视化肿胀的DN冷冻凝胶0.44-4/0.7-0.1，元件孔隙为（210μm）2×100μm），并通过具有3D分析的纳米CT（d-i）进行可视化。

【总结论述】

作者基于DN策略建立了两步冷冻凝胶化技术，以生产具有开孔形态的坚韧的超大型水凝胶。该技术能够合成第二网络，同时保留第一网络凝胶的多孔结构。当在一定条件下冷冻第二预凝胶溶液时，在孔中优先发生冰的结晶，从而在保持第一网络凝胶的多孔结构的同时允许第二网络的合成。研究表明，当引入第二甚至第三网络时，可以很好地保留第一网络冷冻凝胶的原始开孔形态。还证明了使用DN/TN策略可以显着提高脆性超巨细微SN水凝胶的压缩和拉伸性能。高韧性使DN冷冻胶与常规IPN冷冻胶区别开来。有趣的是，DN冷冻胶还显示出更好的抗切割性。此外，某些DN冷冻凝胶的半透明性仍可为观察培养过程中的细胞行为提供优势。此外，假设虽然所提出的技术可以普遍用于通过冷冻凝胶法制备坚韧的超大型水凝胶，但对于不同的凝胶前体，确切的条件却有所不同。据悉，本研究中制备的基于PNaAMPS和PAAm的DN冰晶胶是最坚硬的，具有开孔形态的冷冻胶体。这些DN冰晶凝胶将满足对包括生物医学领域在内的先进承重应用中对更硬，更强的超巨水凝胶的高要求。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02911

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