動態鍵交聯水凝膠是一類具有粘彈性的重要資料，具有許多值得期望的性質，包括對外部機械刺激和成型的適應性、可注射性、自愈性、能量耗散性、以及與表面的牢固粘合性等。控制所需的動態參數，如蠕變率、應力鬆弛率或自愈合率，是精確設計不同應用的粘彈性資料的關鍵。這需要定量和全面地理解分子對資料動態特性的貢獻，然而這通常是一項困難的任務。儘管粘彈性體聚合物網絡的物理模型在過去已經開發出來，由於水凝膠系統動力學和熱力學參數解耦的挑戰以及此類系統的複雜性，仍然缺乏水凝膠粘彈性行為的定量描述。使用可逆交聯和可變交聯壽命開發了幾種動態凝膠系統。但通常很難改變控制平衡的熱力學和獨立控制交聯交換速率的動力學。
想必經歷高考的讀者，對理綜裡面催化劑與化學平衡的題型並不陌生，而來自斯坦福大學的夏岩、秦健合作將其成功用在了科研當中，通過改變有機催化劑的濃度來調節腙鍵的交換率而保持交聯密度不變創造性的設計了一系列通過腙鍵交聯的動態共價水凝膠（也就是高中化學中常說的催化劑只能加速反應趨於平衡，不能改變反應的平衡位置）。這種獨立調節交聯交換動力學和交聯密度的策略允許明確分析動態水凝膠的粘彈性響應，作為其網絡參數的函數。研究發現，動態水凝膠的末端弛豫時間主要由交聯交換率和每個聚合物鏈的有效交聯數兩個因素决定。通過應力鬆弛確定的終端鬆弛時間與通過反應動力學確定的交換率之間存在普遍相關性，原則上可推廣到任何粘彈性水凝膠網絡。相關工作於近期以題為“Predictably Engineering the Viscoelastic Behavior of Dynamic Hydrogels via Correlation with Molecular Parameters”發表在了Advanced Materials上，這種定量關聯有助於開發基於分子設計的具有可變期望粘彈性響應的動態水凝膠。
通過使用氨基甲基苯並咪唑作為有機催化劑，以加速腙鍵的動態交換，添加催化劑會降低交換反應的活化能，而不會影響其平衡常數。囙此可合理地認為，改變催化劑的用量可連續調節交聯的交換動力學，而不改變平衡時的交聯密度，從而解耦粘彈性水凝膠的交聯動力學和交聯密度。應用該策略研究了兩種最常用的網路拓撲中水凝膠的粘彈性特性：通過每條鏈上的多個位置交聯線性聚合物和通過末端連接交聯多臂星形聚合物。
兩種聚合物網絡結構的示意圖
為了研究這些水凝膠的粘彈性，進行了應力鬆弛試驗，該試驗量測了施加小步應變後應力隨時間的衰减。應力鬆弛試驗可在廣泛的時間尺度上捕捉粘彈性特徵，並可直接轉換為從振盪頻率掃描中獲得的儲能模量和損耗模量。在不同濃度的氨基甲基苯並咪唑作為催化劑存在下，對39 kDa的HA和12%功能化形成的水凝膠進行應力鬆弛實驗。在催化劑負載量為0×10−3—300×10−3M下，水凝膠的模量都是相同的，以確認添加催化劑對平衡交聯密度的影響可忽略不計。而催化劑的加入顯著提高了應力鬆弛速率，在不改變形狀或斜率的情况下將應力鬆弛曲線移到較短的時間尺度。對於使用不同分子量（MWs）或官能化程度的HAs的水凝膠，還觀察到不同催化劑負載量對流變光譜移動的影響。這些觀察結果表明，網絡結構因素和交聯動力學對應力鬆弛有不同的貢獻。將應力鬆弛資料轉換為頻域，首先將應力鬆弛函數G（t）擬合為指數衰减之和，然後將擬合的指數轉換為存儲和損耗模量。結果表明，新增催化劑負載量不會影響曲線的形狀，但會顯著地將曲線移向更高的頻率。
水凝膠材料力學效能分析
接下來，研究人員將τt與交聯的交換動力學關聯起來。為了量測催化劑存在下腙鍵交換動力學的加速，研究了脂肪族醛和肼之間的小分子模型反應（該反應與用於形成水凝膠交聯的結構非常相似）。每種反應物在0×10−3，1×10−3，2×10−3M氨基甲基苯並咪唑的轉化率由HPLC。通過對可逆二級反應的反應動力學建模，獲得了締合（ka）和離解（kd）速率常數。ka和kd均隨催化劑的添加而新增，並表現出對催化劑濃度的一級依賴性。當平衡常數保持不變時，1×10−3M催化劑、ka和kd都可以提高兩個數量級。通過繪製不同催化劑濃度下2 wt%水凝膠的τt與1/kd的關係圖，τt隨著1/kd的降低而單調降低，並且對於不同MWs或功能化程度的HA，獲得了類似的趨勢。為了將交聯的交換動力學與網絡結構參數（例如，聚合物分子量、每鏈交聯位點的數量）解耦，將不同催化劑負載下具有相同結構參數的水凝膠的τt歸一化為不添加催化劑的最長末端弛豫時間。歸一化後，具有不同MWs或功能化程度的HAs水凝膠的τt全部塌陷到主曲線上。為了測試這種相關性的普遍性，隨後研究了多臂星形聚合物通過腙鍵末端連接四臂和八臂PEG形成的網絡結構，儘管網絡結構和聚合物結構不同，末端連接星形PEG水凝膠和側鏈連接線性HA水凝膠在歸一化τt與1/kd之間表現出幾乎相同的定量相關性。並且在兩種常見的聚合物網路拓撲中，可以通過聚合物濃度獨立操縱水凝膠的剛度，而不影響其應力鬆弛特性。
終端弛豫時間τt分析
文中開發了一種新的策略，通過使用有機催化劑來解耦粘彈性水凝膠中交聯密度和交聯交換動力學。通過改變催化劑濃度，可以在兩個數量級上調節動態共價腙交聯的交換動力學，而不影響平衡常數，從而為控制粘彈性水凝膠的應力鬆弛行為提供了一種方便的方法。這一策略使我們能够使用水凝膠生物資料中兩種最常見的網路拓撲，獨立研究各種分子和大分子參數對應力鬆弛的影響。為精確和可預測地設計水凝膠粘彈性性質用於研究機械生物學、治療性細胞輸送和組織工程等生物應用領域提供了重要參攷價值。