可生物降解自修复淀粉/PVA/壳聚糖水凝胶的结构设计与性能调控研究

推荐：本研究针对传统石油基水凝胶环境不友好、机械性能差等问题，通过一锅法构建淀粉/聚乙烯醇(PVA)/壳聚糖/硼砂动态交联网络。结果表明，壳聚糖浓度提升使凝胶分数增至90%，储能模量(G′)提高10倍至4276 Pa，兼具自修复性和温度响应性，28天污泥降解率达23-32%，为农业和可穿戴传感器领域提供新型环保材料解决方案。

　　

在环境友好材料需求日益迫切的背景下，传统石油基水凝胶面临生物相容性差、机械性能不足和不可降解等瓶颈问题。淀粉虽具可再生优势，但单一网络结构导致力学性能弱；壳聚糖的抗菌特性与PVA的成膜性虽能互补，但如何构建兼具高强度与自修复功能的可降解体系仍是挑战。荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）Zernike先进材料研究所的Kai Lu团队在《Polymer》发表研究，通过硼砂动态交联策略，开发出性能可调的多功能水凝胶。

研究采用傅里叶红外光谱(FTIR)证实硼酸酯键(B?O?C)形成，X射线衍射(XRD)显示材料非晶态特征，扫描电镜(SEM)观察到壳聚糖使孔隙结构更均匀。通过流变学测试量化机械性能，结合热重分析(TGA)评估热稳定性，并参照OECD 301F标准进行28天污泥降解实验。

3.1 水凝胶形貌表征
FTIR在1423 cm^-1和1333 cm^-1出现B?O?C特征峰，证实动态共价交联。XRD显示20°宽峰，表明淀粉/PVA/壳聚糖分子链相互限制结晶。SEM显示SBPC2具有均匀互通孔道，优于松散结构的纯淀粉凝胶。

3.2 凝胶分数与溶胀率
壳聚糖浓度从0增至10 mL时，凝胶分数由73%提升至90%，溶胀比从7 g/g降至3 g/g。归因于壳聚糖氨基与淀粉羟基的氢键增强交联密度。

3.3 热稳定性
TGA显示含壳聚糖水凝胶残炭量提高，第二降解阶段温度较纯PVA提升约30°C，证明壳聚糖可改善材料耐热性。

3.4 流变学性能
应变扫描显示SBPC2的G′达4276 Pa，是纯淀粉凝胶的9.7倍。频率扫描中模量呈频率依赖性，证实动态交联特性。

3.5 自修复特性
切割-愈合实验表明SBPC2在600秒内恢复90%模量。阶跃应变测试中，G′能从882 Pa（γ=150%）迅速恢复至2451 Pa（γ=1%），体现优异动态键重组能力。

3.6 温度响应性
温度循环测试（20-95°C）中G′可逆变化，归因于硼酸酯键的热敏解离-重组行为。

3.7 生物降解性
28天降解实验显示，淀粉基水凝胶降解率达23-32%，显著高于纯PVA（5%），证实环境友好特性。

该研究通过氢键与硼酸酯键的协同作用，首次实现淀粉基水凝胶的强度-自修复-降解性三重性能平衡。其"一锅法"制备工艺简化了生产流程，为农业保水剂、可穿戴传感器等应用提供新思路。特别是材料在pH/温度刺激下的响应行为，为智能控释系统设计奠定基础。未来可通过优化壳聚糖脱乙酰度进一步提升抗菌性能，推动其在生物医学领域的应用。