仿生水凝胶自适应环境变化！北航刘明杰/北工商高海南《AFM》：在宽盐度范围内具有恒定溶胀度和盐度增强的广盐性水凝胶

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水凝胶是一类柔软的材料，通常由亲水性交联网络和水或水溶液作为渗透介质组成。由于具有独特的特性，例如溶胀/溶缩，附着力，低摩擦力，生物相容性等已经广泛应用于软机器人和电子学，防污材料，油/水分离和生物医学材料。就这些特性而言，水凝胶与生物组织非常相似。但是，大多数水凝胶材料无法像生物一样自动适应环境变化，例如渗透介质的变化（盐度变化），这会导致水凝胶的溶胀，润湿和机械性能发生巨大变化。在自然界中，许多生物有机体具有独特的渗透调节功能，使它们能够在不同盐度的环境中生存，这就是所谓的广盐性（例如，可以在淡水和海水中生存的鲑鱼）。日前，北京航空航天大学江雷院士、刘明杰教授团队与北京工商大学高海南副教授从这些耐盐性生物体中汲取灵感，通过整合两个具有不同耐盐性的聚合物链段的策略，生产出具有稳定的保水性，恒定的溶胀特性，超疏油性的广盐性水凝胶。涂有广盐性水凝胶的筛网可成功用于各种盐度范围的油/水相分离。此外，通过创建具有动态键的双重网络，可以获得具有独特盐增强的广盐性水凝胶。相关工作以“Euryhaline Hydrogel with Constant Swelling and Salinity‐Enhanced Mechanical Strength in a Wide Salinity Range”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上。

具有动态互补交联的广盐性水凝胶的制备

研究人员使用两种水凝胶单体二乙基丙烯酰胺（DEA）和两性离子3-二甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）丙烷磺酸铵（DMAPS）作为单体反应物，并使用N，N'-亚甲基双（丙烯酰胺）（BIS）作为交联剂来协助产生化学交联。由于相反的动态键合行为，形成的两个聚合物链段（即PDEA和PDMAPS）具有相反的盐度耐受性。

PDEA-co-PDMAPS水凝胶动态互补交联的主要反应物和聚合物链的示意图

水凝胶溶胀性能

由于它由在水和盐溶液中具有互补交联键的PDEA和PDMAPS链段组成，因此共聚物水凝胶在广泛的盐度范围内以受控且可逆的方式进行了动态交联转化。动态交联相互作用的平衡可以通过控制PDEA和PDMAPS链段的比例来实现。通过在NaCl和CaCl ₂溶液中溶胀行为的表征，发现D2S8在具有各种盐度的溶液中显示出优异的恒定溶胀体积。拉曼光谱进一步确定了源自不同盐度溶液中D8S2水凝胶内部的疏水塌陷和抗聚电解质作用的动态互补交联。

盐度诱导的具有不同组成的PDEA-co-PDMAPS水凝胶的体积

水凝胶的超疏油性和超低油粘附性

考虑到PDEA和PDMAPS链在水和盐溶液中的互补的水结合能力，D8S2水凝胶的表面在宽范围的盐度下显示出恒定的超疏油性和超低油粘附性。D8S2水凝胶的极性聚合物链段（例如酰胺基和两性离子段）可确保在广泛的盐度范围内具有很强的水结合能力。D8S2表面上生成的连续水膜可有效抵抗非极性/低极性油的扩散和粘附，这是由于极性显着不同引起的排斥作用。

D8S2水凝胶的广盐性超疏油性和超低油粘附性

在宽盐度范围内有效的油/水相分离

D8S2水凝胶具有出色的淡水保水能力和恒定体积，因此可以成为设计宽盐度油/水分离材料的候选。将清洁过的铜网在≈25°C下完全浸入D8S2前体溶液中约≈5分钟，然后迅速进行原位聚合。D8S2涂层网格具有恒定的乙酰胆碱和保水能力，对于不确定的高盐度废水处理和溢油清理，可以是工业油/水分离的理想选择。

D8S2涂层的筛网可用于在宽盐度范围内进行有效的油/水分离

广盐性水凝胶的盐度增强力学性能

制备的D8S2水凝胶作为弹性材料，其机械强度低。为了克服该限制，建立了具有动态相互作用的双网络结构以提高欧亚水杨酸水凝胶的机械强度。D8S2聚合物网络仍然是第一个网络。选择丙烯酸和DMAPS 4/1的共聚物作为第二网络（A8S2）。所得的D8S2 / A8S2水凝胶也具有胆碱保水性和恒定体积。

D8S2 / A8S2水凝胶具有出色的盐度增强机械性能

总结

研究人员从耐盐生物中汲取了灵感，通过整合两个具有相反耐盐性和摩尔比的聚合物链段，获得了具有耐盐性的水凝胶。在宽盐度范围的水性环境中，这种水凝胶显示出稳定的保水性，恒定的溶胀性，超疏油性和对油的低粘附性。通过原位聚合成功制备了广盐性水凝胶包覆的筛网，该筛网可用于广泛的盐度范围内的各种油/水分离。此外，通过创建具有动态键的双网络聚合物结构，所得的水凝胶的机械性能大大改善，并具有随盐度提高的机械强度。具有对各种盐分的优异耐受性的水凝胶将在诸如水凝胶离子电子和在可变离子环境中使用的生物医学材料等各个领域中具有广阔的发展潜力。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007664

来源：高分子科学前沿

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