强酸增强型含硬葡聚糖聚丙烯酸水凝胶的多维力学优化机制研究

推荐：针对聚丙烯酸(PAA)水凝胶机械性能不足的瓶颈问题，本研究创新性地将硬葡聚糖(SC)引入PAA网络并采用硫酸(SA)协同增强策略。通过紫外聚合制备双网络水凝胶(DN-gel)，经直接SA处理获得兼具强度(0.81 MPa)与延展性(1030%)的S-gel，冻干后SA处理则得到高强度(2.6 MPa)的FS-gel。该研究突破了单一增强方法的局限，为高性能水凝胶设计提供了新范式。

　　

水凝胶材料在生物医学和柔性电子等领域展现出巨大潜力，但传统聚丙烯酸(PAA)水凝胶的机械性能短板——拉伸强度低、断裂韧性差，严重制约其实际应用。现有增强策略如单一化学交联或物理掺杂往往顾此失彼，难以实现强度与韧性的协同提升。更棘手的是，常用的硫酸(SA)增强方法存在处理手段单一、易引发水解降解等问题。如何突破这些技术瓶颈，成为水凝胶材料领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，四川优普超纯科技的研究团队在《Materials》发表创新成果，提出"天然多糖-强酸"协同增强策略。通过将微生物发酵获得的硬葡聚糖(SC)引入PAA网络，结合SA梯度处理，构建了具有多维力学可调性的水凝胶体系。研究采用紫外光引发聚合制备双网络水凝胶(DN-gel)，通过冻干辅助SA渗透、分子动力学模拟等手段，系统揭示了氢键重构和微结构演变对性能的调控机制。

研究首先通过凝胶渗透色谱(GPC)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)筛选出分子量最高(2.29×10⁶ g/mol)、羟基密度丰富的SC作为理想增强剂。紫外聚合制备的DN-gel通过SC的β-(1-3)-D-葡萄糖骨架与PAA羧基形成氢键网络，使拉伸强度提升至0.12 MPa。

在SA处理机制研究中，直接浸泡获得的S-gel展现出独特的浓度依赖性：低浓度(1-2 M)SA主要提升强度，而高浓度(4 M)处理同时实现0.81 MPa强度和1030%延伸率。冷冻电镜(Cryo-SEM)显示其梯度孔结构可有效分散应力，分子动力学模拟证实SA与PAA形成的稳定氢键(占比68%)是增强关键。冻干后处理的FS-gel则因完全脱水-再吸水过程形成致密非均相结构，虽然延展性降至350%，但强度飙升至2.6 MPa，模量达0.84 MPa。

技术方法上，研究团队运用紫外聚合构建PAA/SC双网络，采用不同浓度SA溶液(1-4 M)进行梯度处理；通过X射线光电子能谱(XPS)分析元素组成变化，结合低温扫描电镜观察微观结构演变；利用Instron 5567万能材料试验机测试力学性能，并采用Gromacs软件进行20 ns分子动力学模拟验证相互作用机制。

在"硫酸基水凝胶(S-gel)力学性能"章节，研究发现4 M SA处理的S-gel具有724%的韧性提升，循环测试显示其在500%应变下仍保持0.07 MJ/m³的稳定耗能能力。而"冻干硫酸基水凝胶(FS-gel)性能"部分则揭示，冻干预处理使4 M SA处理的FS-gel获得8.3 MJ/m³的超高韧性，但循环性能下降反映其刚性特征。

分子机制研究表明，SA的增强作用体现为双重效应：微观上通过诱导相分离形成梯度孔结构，宏观上通过磺化反应促进SC羟基与PAA羧基形成双重交联网络。特别值得注意的是，分子动力学模拟显示SA-PAA氢键数量是SA-SC的2.3倍，这解释了PAA主链在力学增强中的主导作用。

该研究的重要意义在于：一是创建了"物理掺杂-化学处理"协同增强新方法，突破了传统单一增强策略的局限；二是阐明了SA浓度与处理方式的构效关系，为水凝胶性能的精确调控提供理论依据；三是开发的FS-gel为需要结构刚性的生物医用场景提供了新材料选择。这种将天然多糖特性与强酸处理优势相结合的设计思路，为下一代高性能水凝胶的开发开辟了新途径。