超刚性强韧的双动态共价交联聚(2-异丙烯基-2-噁唑啉)水凝胶

《European Polymer Journal》：Ultra-stiff and tough dual-dynamic covalently crosslinked poly(2-isopropenyl-2-oxazoline) hydrogels

　　

摘要

水凝胶由于其高含水量和良好的生物相容性，在组织填充、组织隔离及其他生物医学应用中是一种极具前景的材料。然而，在含水聚合物网络中同时实现高刚度和高韧性仍是一个挑战，尤其是对于单网络水凝胶而言。本研究提出了一种通过引入二硫键牺牲键和亚胺键来构建双动态共价交联聚(2-异丙烯基-2-噁唑啉)(PiPOx)水凝胶的策略，从而实现性能可调。其缠结且高度交联的聚合物网络赋予了水凝胶极高的压缩模量(130 MPa)和韧性(4.23 MJ·m^?3)。与相应的半动态和非动态共价交联PiPOx水凝胶相比，该双交联策略表现出显著的网络恢复能力(水浸泡6小时后能量耗散恢复率为93%)。此外，该超高刚性水凝胶表现出长期稳定性和对MC3T3-E1细胞的良好细胞相容性。因此，这种双动态共价交联的PiPOx水凝胶是物理屏障应用和潜在的骨缺损填充植入应用的理想候选材料。

引言

水凝胶是具有高度可调理化性质和良好的生物相容性的含水三维(3D)交联聚合物网络。在过去十年中，各类水凝胶在药物递送、骨与软骨修复、血管支架以及腹腔器官抗炎和止血应用中的潜力得到了持续探索。[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7] 水凝胶通常被设计为柔软且具有弹性的材料。然而，水凝胶作为含水质材料在需要承受机械应力的应用中变得越来越重要，包括封装和承重植入物，在这些应用中它们可以作为抗溶剂屏障发挥作用并提供含水的生物相容性微环境。[8]，[9] 这些承重水凝胶应被设计为在保持高保水性的同时兼具刚性和韧性。然而，提高水凝胶刚性通常会伴随脆性增加，这限制了其实际应用。[10]。

受生物体系和经典机械结构的启发，人们开发了多种机制，包括双网络水凝胶、[11]，[12] 滑环网络水凝胶、[13]，[14] 纳米掺杂水凝胶、[15]，[16] 以及肌肉样水凝胶，[17]，[18] 以显著提高水凝胶的强度和韧性。然而，这些复杂的网络基策略仍然无法完全克服水凝胶中刚性与韧性之间的权衡问题，且往往伴随着复杂的制备工艺和较高的制造成本。相比之下，单网络水凝胶结构简单且易于制备。在这些单网络水凝胶体系中，通常通过提高交联密度来增加刚性。[19] 然而，在传统的共价交联网络中，提高交联密度通常会限制聚合物链的运动性，导致应力耗散不良、脆性增加以及单网络水凝胶的过早失效。[10]，[19] 解决这一问题的一个关键策略是在高度交联的单网络水凝胶中引入高效的能量耗散机制。

可逆的物理相互作用和动态共价键通常具有相对较低的相互作用能或键能，使其能够作为牺牲键用于能量耗散。[20]，[21]，[22] 在网络变形过程中，牺牲键优先解离以耗散能量，并能在重新形成后恢复其能量耗散能力。[20]，[23] 因此，牺牲键已被广泛用于改善水凝胶网络的韧性。[21]，[24] 基于这一机制，将永久共价键与牺牲键相结合的双交联策略已被广泛用于机械增强单网络水凝胶。[25] 在该策略中，永久共价交联点稳定水凝胶网络，而牺牲键在变形过程中耗散能量。然而，仅依赖永久共价交联构建高密度网络往往会加剧链运动受限和脆性，使得同时实现高刚性和高韧性变得困难。相比之下，动态共价交联可以作为牺牲键有效耗散能量，同时通常具有比大多数物理相互作用更高的键能，从而提高网络稳定性和承载能力。因此，双动态共价交联为实现高度交联单网络水凝胶中刚性与韧性的同时增强提供了一种有前景的策略。

聚(2-异丙烯基-2-噁唑啉)(PiPOx)是一种反应活性聚合物，具有优异的生物相容性。[26]，[27]，[28]，[29] 尽管PiPOx在生理条件下是稳定的，[28] 但它可以在高温下通过侧链上的2-噁唑啉环与二羧酸交联剂反应形成交联网络，同时也可以通过与多种二羧酸交联剂进行交联来实现双动态交联。[25]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34] 此外，PiPOx的摩尔质量可以精确控制，使其在特定浓度下的链缠结行为可以被预测。[35] PiPOx已被用作开发机械性能强健水凝胶的多功能平台。这些特性使PiPOx成为开发机械性能优异水凝胶的多功能平台。[25]，[30]，[36]，[37]。

在本研究中，将使用2,2′-二硫代水杨酸(DSTA)和4-((4-羧基苄亚甲基)氨基)苯甲酸(H₂CBAB)作为交联剂在有机溶剂中对PiPOx进行交联，分别引入含二硫键和含亚胺键的交联点，从而开发双动态共价交联水凝胶。溶剂交换为水后，将获得兼具超高强度和韧性的双动态共价交联水凝胶。在临界缠结浓度(C_e)的指导下，确保PiPOx链段相互缠结。该缠结网络将与高交联密度以及来自交联剂的大量刚性苯环相结合。当水渗透进入有机凝胶时，疏水性芳环被假设有进一步聚集并作为物理网络增强点发挥作用，最终提供具有高刚性和稳定性的水凝胶材料。另一方面，水凝胶中存在的二硫键被引入作为牺牲键，在外力作用下优先断裂，从而耗散机械能并分散应力，而具有更高键能的亚胺键则用于保持水凝胶的机械完整性。这两种动态键的可逆解离和重新形成赋予了水凝胶在受压至一定应变后自我恢复的能力。同时，网络中大量残留的亲水性2-噁唑啉环应能使该刚性水凝胶保持64%的含水量，满足许多生物承重应用的需求。将对MC3T3-E1细胞的细胞毒性和溶血评估进行检测，以评估所制备水凝胶的生物相容性。因此，该双动态共价交联的PiPOx水凝胶有望兼具高刚性和高韧性，对下一代封装和承重植入应用具有巨大前景。

章节片段

结果与讨论

提高网络交联密度可以有效增强水凝胶刚性，但往往使网络变得脆性。因此，本工作中基于疏水缔合和不同键能的动态共价键将能量耗散机制纳入了网络设计。此外，更高的聚合物缠结程度可以为网络提供物理交联点并增强材料的韧性。[38]，[39] 首选聚合物的摩尔质量

结论

总之，本研究开发了一种基于聚(2-异丙烯基-2-噁唑啉)(PiPOx)作为网络前体、结合动态含亚胺键交联剂(H₂CBAB)(键能为185.4 kcal/mol)和动态含二硫键交联剂(DSTA)(键能为47.0 kcal/mol)形成的双动态共价交联网络的水凝胶体系，该体系兼具极高刚性和韧性。该缠结刚性网络具有高交联密度且富含疏水性

CRediT作者贡献声明

张凯明：撰写——初稿、可视化、方法论、调查研究、概念构思。刘峰：撰写——审稿与编辑、方法论、调查研究。Tomá? Sedla?ík：撰写——审稿与编辑、监督指导。王哲：撰写——审稿与编辑、调查研究。沈立新：撰写——审稿与编辑、调查研究。张海磊：撰写——审稿与编辑、监督指导、经费获取。Richard Hoogenboom：撰写——审稿与编辑、经费获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的与本文所报告工作存在利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢

R.H.感谢根特大学(BOF22/GOA/006和BOF/BAF/4Y/2024/01/198)的特别研究基金的持续财务支持。K.Z.感谢中国国家留学基金委员会(CSC, 档案号 202108370111)对其博士研究的财务支持。H.Z.感谢国家自然科学基金(编号 22572042)的支持。

张凯明|刘峰|Tomá? Sedla?ík|王哲|沈立新|张海磊|Richard Hoogenboom

超分子化学研究组，高分子化学中心(CMaC)，根特大学有机化学与高分子化学系，Krijgslaan 281-S4, Ghent 9000, 比利时