定制化修復讓破碎水凝膠如壁虎般“斷尾重生”

說起壁虎，你馬上能想到它強大的斷尾再生能力。受此啟發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊在陳濤研究員的帶領下，提出了水凝膠界面擴散聚合（Interfacial Diffusion Polymerization，IDP）的方法，實現了水凝膠的宏觀精準生長，并進一步實現了破損高分子凝膠的修復。

該工作近期以題為《自由基界面再引發促使破損高分子水凝膠驅動器的再生》論文發表在CCS Chemistry（中國化學會會刊）上。

高分子水凝膠作為一種具有軟、濕特性的柔性材料，一直以來被認為是實現仿生智能的理想體系，但其脆弱的三維網絡結構，使得在應用過程中往往因局部的破損而失去使用的價值。近年來，研究人員通過在制備凝膠的過程中引入諸如具有動態共價鍵以及超分子作用的官能團，制備了一系列具有自愈合功能的高分子水凝膠。

然而，現有的自愈合水凝膠仍然存在以下局限：一是破損凝膠的范圍不宜過大，且修復時破損凝膠需被緊密地貼合在一起；二是破損凝膠的傷口必須是新鮮的，凝膠破損后放置過久，其愈合效果會大大下降。

論文第一作者、該團隊博士研究生吳寶意告訴《中國科學報》，陳濤團隊一直致力于仿生智能高分子水凝膠的研究，正是因為在以往其他實驗中容易在中途發生凝膠破碎問題，深受其累，他立意開發出一種凝膠修復策略，要普適且高效。

壁虎的斷尾重生為研究人員提供了新思路——當壁虎為了躲避危險折斷自己的尾巴后，其斷尾傷口處會大量分泌生長激素，使傷口處的細胞快速分裂及分化，從而逐漸在斷尾處生長出一條新的尾巴。

該團隊提出的IDP方法，適用于在一系列親水性的基底中生長新水凝膠網絡，并且通過改變水凝膠預聚液中的單體種類，從而定制化地生長一系列不同化學組成的水凝膠。

不僅如此，通過在水凝膠預聚液中摻雜不同的高分子增稠劑，新生長的凝膠還可獲得一系列新功能。例如，將海藻酸鈉作為增稠劑，生長所得的凝膠便能與鈣離子絡合實現水凝膠形狀記憶功能；將具有藍色熒光的聚合物作為增稠劑，生長所得的凝膠也獲得了相應的熒光發射功能。

得益于IDP方法的高效性與普適性，該團隊實現了高分子水凝膠破損后的定制化修復：首先在破損位置使用含有丙烯酰胺單體的預聚液生長出第一層的PAAm凝膠，隨后改用含有N-異丙基丙烯酰胺單體的預聚液在第一層的基礎上生長得到PNIPAm層凝膠，從而實現對破損凝膠的修復，并且與破損前凝膠相比，修復后的凝膠無論是化學組成、物理結構以及變形功能都恢復到了初始未受損狀態。

對比此前的修復方法，吳寶意解釋說：“在以前的仿生生長工作中，新的水凝膠網絡僅在內部生長，因此僅能增強其力學性能，而IPD方法是‘由內向外’，并且實現了毫米級別、肉眼可見的生長。同時由于實現了對生長過程的速度與位置的精準調控，從而達到定制化修復破碎水凝膠的目的。”

CCS Chemistry審稿人認為，這種方法可以修復受損的水凝膠，或創建不同成分的復雜水凝膠模式。