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西安交大張彥峰教授團隊《Adv. Mater.》：具有空前的抗裂性、極其強韌的可生物降解聚氨酯彈性體
2023-02-27  來源：高分子科技

  具有高強度和高韌性的彈性體由于其多樣化的應(yīng)用一直被廣泛地研究，而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面經(jīng)常需要具有生物可降解性和生物相容性的彈性體。如何制備具有極強機械性能的可生物降解的彈性材料供體內(nèi)使用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  近日，西安交通大學(xué)張彥峰團隊設(shè)計了一種基于分層氫鍵相互作用的可生物降解聚氨酯彈性體。作者利用聚己內(nèi)酯（PCL）、二異氰酸酯和 N，N-雙（2-羥乙基）乙酰胺（BHO）作為原料，通過無溶劑聚合的方法快速制備了這種無色透明的彈性體，其中豐富的氫鍵相互作用阻礙了PCL段的結(jié)晶，促進了在彈性體內(nèi)部形成均勻分布的硬相微域，奇跡般地實現(xiàn)了極高的強度和韌性以及前所未有的高斷裂能，加之良好的生物相容性和降解性，可通過3D打印技術(shù)制成疝氣補片應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。此外，就機械性能而言，該彈性體在國防工業(yè)、柔性電子、緩沖吸能等方面同樣具有很大的應(yīng)用潛力。 


圖1 彈性體的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 


圖2 彈性體的拉伸性能。


  在這項工作中，PCL-IPDI-BHO彈性體的斷裂強度為92.2 MPa，同時保持了約1900%的斷裂伸長率和480.2 MJ m-3的超高韌性，其真實應(yīng)力高達1.9 GPa。同時，PCL-IPDI-HHP彈性體表現(xiàn)出良好的回彈性，這是因為其結(jié)構(gòu)的剛度較低、鏈段的流動性較高，因而彈性范圍相對較寬。此外，作者通過FT-IR光譜分析發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中酰胺鍵和酯鍵重組了氫鍵且締合氫鍵占比較高，這可能是彈性體中較大能量耗散的重要因素之一。 


圖3彈性體的斷裂能和耐穿刺性。


  PCL-IPDI-BHO彈性體表現(xiàn)出極高的裂紋容限，其斷裂能達到了前所未有的322.2 kJ m-2，是目前已報道的彈性體材料中最高的記錄。同時優(yōu)異的耐穿刺性也可以使彈性體承受較大的負荷而不被破壞，這對其使用的安全性有重要意義。此外，該彈性體還兼具修復(fù)性能和重塑性能。帶有切口的彈性體薄膜經(jīng)過80℃加熱24h后可實現(xiàn)完美修復(fù)，切碎的彈性體也可以通過熱壓重塑進行回收再加工。 


圖4 彈性體在疝氣補片中的應(yīng)用。


  最后，作者通過3D打印將PCL-IPDI-BHO彈性體加工成疝氣補片用于生物醫(yī)用。該補片繼承了彈性體優(yōu)異的機械性能，且其優(yōu)異的生物相容性和在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定后緩慢降解的特點與臨床需求吻合，可作為理想的疝氣補片材料用于體內(nèi)生物應(yīng)用。


  以上相關(guān)工作以＂Extremely Strong and Tough Biodegradable Poly(urethane) Elastomers with Unprecedented Crack Tolerance via Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions＂為題在《Advanced Materials》上在線發(fā)表。文章第一作者為西安交通大學(xué)碩士生郭銳，通訊作者為西安交通大學(xué)張彥峰教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目(NSFC 52173079)、國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0706801)、陜西省國際科技合作項目(2020KW-062)等項目的資助。作者感謝西安交通大學(xué)分析測試共享中心和鄭州大學(xué)劉春太教授、邵春光教授在分析表征方面的支持，感謝西安交通大學(xué)王鐵軍教授在文章撰寫方面的幫助，楊孟博士在3D打印方面的指導(dǎo)，以及陜西省人民醫(yī)院段降龍教授的幫助。


  該工作是張彥峰教授團隊在彈性體材料方向的重要成果。張彥峰教授團隊長期致力于動態(tài)高分子材料的設(shè)計、合成及應(yīng)用。近年來，該團隊致力于動態(tài)高分子材料的研究，在可重塑、強機械性能的聚硫氨酯共價可適網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)4D打印（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203720.），催化聚乳酸熱降解的動力學(xué)及其作為犧牲模板的應(yīng)用（Chinese J. Chem, 2022, 40, 2801），本征光熱效應(yīng)觸發(fā)聚肟氨酯共價可適網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)交換及性能（Chem. Eng. J. 2021,131212），可重塑聚硫氨酯膠粘劑（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 47975），可實現(xiàn)裂痕檢測-自愈追蹤的熒光彈性體（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 30847），動態(tài)共價鍵高分子材料的研究進展（高分子學(xué)報, 2019, 50, 469）等方面已經(jīng)做了一系列的工作。該團隊的研究工作將高分子材料與生物醫(yī)學(xué)、國防軍工、介電儲能、緩沖吸能等多方結(jié)合，并積極推動相關(guān)成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。


  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212130

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