武漢大學段博《Mater.Horiz.》,高强度、高韌性全天然水凝膠

然而,由於甲殼素難以溶解的特點,對具有高强度和高韌性甲殼素水凝膠的開發一直以來都是艱巨的任務。武漢大學段博副研究員等人在前期研究中引入了錶氯醇化學交聯的方法來製造甲殼素水凝膠,使水凝膠的抗壓強度和韌性分別提升至3.98MPa和0.45MJ·m-3。

甲殼素(chitin)是一種具有豐富來源的多糖聚合物,其具有生物可功能化、生物可降解、生物相容等性質,是製造生物資料的理想基質。然而,由於甲殼素難以溶解的特點,對具有高强度和高韌性甲殼素水凝膠的開發一直以來都是艱巨的任務。甲殼素聚合物鏈上廣泛存在的氫鍵抑制了甲殼素的移動性,從而使對應的水凝膠缺乏韌性(0.01~0.1 MJ·m-3)和抗壓強度(0.1~1 MPa),限制了甲殼素的進一步實際應用。

武漢大學段博副研究員等人在前期研究中引入了錶氯醇(ECH)化學交聯的方法來製造甲殼素水凝膠,使水凝膠的抗壓強度和韌性分別提升至3.98 MPa和0.45 MJ·m-3。然而,這類化學方法具有潜在的毒性,最終還是不利於甲殼素在生物資料和永續研究領域的發展。近期,該團隊首次報導了一種與已有合成方法截然不同的多酚介導自組裝(PMS)策略,可同時提升水凝膠的强度和韌性。作者通過引入多酚類化合物單寧酸(TA)來與甲殼素的自組裝進行競爭,以形成弱相互作用的甲殼素-單寧酸和强相互作用的甲殼素-甲殼素網絡。一方面,高密度的非共價鍵交聯賦予了PMS水凝膠高模量和强度性質;另一方面,相對較弱的甲殼素-單寧酸交聯起到了“犧牲鍵”的作用,可分散能量提升資料韌性。這一全天然强健甲殼素-單寧酸水凝膠展現出了可觀的抗菌、生物相容等性質,在食品、生物醫學等領域均存在應用前景。。相關工作以“Polyphenol mediating chitin self-assembly for constructing the full natural resourced hydrogel with high strength and toughness”為題發表在Materials Horizons

一、甲殼素-多酚水凝膠的製備及機制研究

作者首先通過凍融迴圈方法將甲殼素溶解在氫氧化鈉溶液中,而單寧酸作為物理交聯劑被引入到甲殼素溶液中。如圖1所示,甲殼素/單寧酸溶液隨後進行加熱反應,期間形成部分非共價交聯網絡(甲殼素-甲殼素以及甲殼素-多酚)。隨後,加入乙醇溶液凝結物以破壞甲殼素溶劑並誘發完全多樣化非共價交聯網絡以及甲殼素晶體水合物的形成,最終實現高强度水凝膠。在這一過程中,甲殼素-多酚非共價交聯結構佔據了部分甲殼素鏈上的鍵合位點,從而可一定程度上組織甲殼素-甲殼素自組裝並最終形成甲殼素-多酚和甲殼素-甲殼素兩種網絡結構。此外,甲殼素聚合物鏈的結構單元擁有豐富的親水基團(羥基和氨基)以及疏水的吡喃環和乙醯基團。這些功能基團可以與多酚通過氫鍵、離子和疏水相互作用進行反應,賦予水凝膠多樣化的非共價相互作用類型。

圖1甲殼素-多酚水凝膠的製備

二、甲殼素-多酚水凝膠的力學性質

水凝膠成功製備之後,作者研究了PMS甲殼素水凝膠的力學强化性質。如圖2所示,作者重點考察了乙醇溶液凝結物和單寧酸的添加量對水凝膠力學性能的影響。研究發現,當單寧酸的比例達到8%時,水凝膠可獲得最大的抗壓應力(8.18 MPa),其楊氏模量和斷裂能也可分別達到0.36 MPa和0.97 MJ·m-3,其斷裂應力和斷裂能分別是不添加單寧酸的甲殼素水凝膠的7和5倍。而當乙醇溶液凝結物從0提升至60%時,水凝膠的抗壓應力、楊氏模量和斷裂能也分別從2.91 MPa、0.19 MPa、0.34 MJ·m-3顯著提升至8.18 MPa、0.36 MPa、0.97 MJ·m-3。這些結果表明,單寧酸介導的PMS策略可顯著提升水凝膠的斷裂強度、韌性、楊氏模量等力學性能,同時這一PMS結構不僅新增了斷裂應力,也導致了更高的變形程度和能量分散狀況。此外,作者還對水凝膠的强化和韌化現象提出了機制解釋:一是高非共價交聯密度導致了難以打破和可快速轉移應力的强健網絡;二是相對較弱的甲殼素-單寧酸非共價交聯結構部分封锁甲殼素-甲殼素網絡的形成,並且起到了分散能量的作用;三是α-甲殼素晶體水合物能够有效吸收能量以及維持巨大的變形。

圖2甲殼素-單寧酸水凝膠的力學性能

三、甲殼素-多酚水凝膠的生物醫學應用

最後,作者還探索了甲殼素-單寧酸水凝膠的生物醫學應用潜力。在這一水凝膠中,酚羥基可通過破壞細菌膜和新增膜滲透性來抑制細菌的生長,同時聚合物上豐富的氨基具有一定的抗菌效能,實驗表明,水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺傷可分別達到70.6%和47.6%。水凝膠中大量氨基的存在也表明其在類比胃液中可迅速降解(5小時重量减少96.2%),具有作為藥物遞送系統的潜力。最後,優异的力學性能也使得水凝膠展現出了作為塑膠資料的可降解替代物的潜力。

圖3水凝膠的生物醫學應用

結論:綜上所述,該研究發展了一種多酚介導的自組裝策略,可實現製備具有高强度和高韌性特點的甲殼素基水凝膠。水凝膠中廣泛存在的多樣化非共價相互作用以及晶體水合物賦予了水凝膠優异的力學性能。不僅如此,該水凝膠還展現出了高生物相容性、在類比胃液和土地中的優异可降解性,在食品、藥物遞送、可降解塑膠等領域均具有巨大的應用前景。

文獻連結:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00878a#!divAbstract

原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號

本文版權歸原作者所有,文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系,我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理!

資料標籤:
本文標題: 武漢大學段博《Mater.Horiz.》,高强度、高韌性全天然水凝膠
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656057761006944
相关資料
最新AM,銥類複合物膠束發揮遠紅/近紅外光下的高效光動力學/光熱療法
現時,光動力治療的關鍵問題在於無法在腫瘤中產生足够多的活性氧物質,使得腫瘤細胞能够在治療後得以存活,最終導致腫瘤的復發和轉移。由於低激發態容易導致快速非輻射衰减,現有的光敏劑在遠紅/近紅外光的激發下常常展現出較低的光-ROS轉換效率,限制了
標籤: 動力學 光熱 紅外線 ir
上科大物質學院顏世超課題組在層狀資料電子結構機理方面取得重要進展
近日,上海科技大學物質學院顏世超課題組在過渡金屬硫化物的電子結構機理研究方面取得重要進展。研究人員利用低溫掃描隧道顯微科技發現1T-TaS2類資料費米能級附近存在電子窄帶,並揭示了電子窄帶對這類資料的電子結構的重要作用。
標籤: 電子 窄帶
清華大學生命學院姚駿研究組發現突觸連接素-7通過誘發谷氨酸自發釋放參與雙相情感障礙發病的分子機理
過去20多年中,研究者共發現兩種在自發釋放中起作用的候選鈣感受器蛋白,但領域內對此兩種蛋白的作用存在較大爭議。因而,自發釋放的機制仍然不清楚。清華大學生命學院姚駿課題組的最新研究發現,突觸連接素-7可誘發谷氨酸遞質的自發釋放,並通過這一途徑
標籤: 自發反應 谷氨酸受體
汪國秀教授,AEM觀點文章,深入解析二維資料基異質結在二次電池中的多功能作用
由於在提供充足的活性位點和改善電化學反應動力學方面的優勢,二維資料被認為是二次電池中很有前途的電極資料。然而,單一的二維資料幾乎無法滿足高性能電極資料的多種要求。現時在二次電池領域,已經有許多具有不同結構的二維資料基異質結得到應用。圖1.二
標籤: 二維資料 異質結 二維 電化學