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  軟材料由于其在生物醫(yī)用、電子皮膚、柔性機器人等現(xiàn)代科技領域有潛在的應用價值被廣泛關注。水凝膠作為軟材料的一種具有高含水量、化學生物分子透過性、生物相容性以及可生物降解性等優(yōu)點；彈性體則具有優(yōu)異的機械性能以及在各種環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定的性質。由于水凝膠與彈性體具有優(yōu)勢互補的特點，所以設計一種同時具有水凝膠與彈性體優(yōu)勢的材料將極大的拓寬其應用領域。一系列的水凝膠彈性體復合物通過界面結合的方式連接在一起，但存在界面結合力弱，質地不均一等缺點。通過簡單的制備方法得到一種均質的水凝膠彈性體功能復合材料仍然是一大挑戰(zhàn)。

  受到自然界水蛭的啟發(fā)，中科院成都生物研究所李幫經研究員團隊與四川大學張晟教授團隊聯(lián)合報道了一種制備均質水凝膠-彈性體復合材料的方法。文章選用了具有疏水特性和低玻璃化轉變溫度的丙烯酸-2-甲氧基乙酯（MEA）作為單體與末端修飾雙鍵的的普朗尼克膠束進行聚合，最后得到一種均質的、在干態(tài)和濕態(tài)下都具有優(yōu)異的機械性能、良好的保水性和自愈合性能的水凝膠-彈性體復合物。

圖1. 由雙鍵修飾的普朗尼克膠束交聯(lián)的水凝膠和干凝膠示意圖

  通過一鍋法將不同分子量的功能化普朗尼克膠束作為交聯(lián)點與MEA單體共聚得到了一系列水凝膠-彈性體復合材料。這些材料通過與化學交聯(lián)的MEA（對照組）材料對比，具有質地均一，內部無團聚，無空腔的結構特點。值得一提的是由于該復合材料由彈性體作為三維網絡骨架，所以對應的干凝膠在掃描電鏡下呈現(xiàn)緊實的彈性體結構。

圖2. (a) 對照組凝膠外觀照片, ( b) 四種普朗尼克凝膠的照片; (c)對照組和( d) F108DA干凝膠的SEM圖

  在凝膠的吸濕性以及保水性方面，對照組凝膠在水中溶脹率只有16%，而通過兩親性普朗尼克膠束交聯(lián)得到的復合物材料的溶脹率達到210%，并且在100%的濕度條件下，四種普朗尼克交聯(lián)得到的材料的吸濕率為對照組的2倍以上。由于四種普朗尼克分子中PEO和PPO嵌段含量的不同，其吸濕性也出現(xiàn)了差異。通過保水性實驗可知，F(xiàn)108DA凝膠比對照組凝膠的保水性更強，而且親水的PEO嵌段在干態(tài)下會出現(xiàn)結晶，能夠起到增強干凝膠機械性能的作用。

圖3. (a)四種普朗尼克凝膠與對照組凝膠的溶脹率; (b)不同濕度下四種普朗尼克凝膠與對照組凝膠的吸濕率; (c) 40℃下對照組凝膠與F108DA凝膠的累積失水量; (d) 對照組凝膠與F108DA凝膠的DSC圖

  四種普朗尼克凝膠在濕態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的形變回復能力以及彈性。在壓縮應變達為85%時，應力能達到1.5兆帕，并且在應力釋放后能夠回復到初始的狀態(tài)。在循環(huán)壓縮測試中，普朗尼克水凝膠具有良好的抗疲勞性，而對比對照組凝膠，在循環(huán)壓縮過程中，由于水分的流失，其機械性能出現(xiàn)了不穩(wěn)定性。

圖4. (a)在85%的壓縮應變下，四種普朗尼克水凝膠與對照組水凝膠的應力-應變曲線；(b1)壓縮至85%應變的F108DA水凝膠, (b2)壓縮結束后的F108DA水凝膠，(b3)壓縮結束后的對照組水凝膠; F108DA水凝膠在85%應變下的(c)循環(huán)壓縮應力-應變曲線以及(e)應力-時間曲線; 對照組水凝膠在85%應變下的(c)循環(huán)壓縮應力-應變曲線以及(e)應力-時間曲線

  干燥后的普朗尼克凝膠表現(xiàn)出更強的機械性能，伸長率與對照組凝膠接近，為自身長度的4-5倍，強度高于對照組凝膠達到兆帕級。在最大應變?yōu)?00%的循環(huán)拉伸測試中， F108DA干凝膠具有明顯的能量耗散機制，在第一次循環(huán)中出現(xiàn)了較大的遲滯環(huán)，在接下來的幾個循環(huán)中，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性。壓縮測試中，在90%的形變下F108DA的應力達到了驚人的66.9兆帕。

圖5. 普朗尼克干凝膠與對照組干凝膠的(a)拉伸應力-應變曲線以及(b)對應的拉伸強度; (c)F108DA干凝膠在伸長率為400%下的應力應變曲線; (d)普朗尼克干凝膠在壓縮應變?yōu)?0%時的應力-應變曲線

  以上成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.8b12886）上，論文第一作者為西南交通大學與中科院成都生物研究所聯(lián)培碩士生馮俊峰，通訊作者為中科院成都生物研究所李幫經研究員，共同通訊作者為四川大學張晟教授與西南交通大學黃帥副教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsami.8b12886