共溶剂效应辅助制备具有可调孔隙率、扩散性和刚度的水凝胶和微凝胶

《Macromolecular Rapid Communications》：Cononsolvency-Assisted Fabrication of Hydrogels and Microgels With Tunable Porosity, Diffusivity and Stiffness

　　

包括水凝胶在内的多孔材料在需要可控传质、细胞浸润和力学性能的应用中具有巨大潜力，例如组织工程、药物递送或软体机器人。研究人员报道了一种合成具有可调孔隙率的水凝胶和微凝胶的简便方法，从而实现对扩散性和力学性能的控制。通过利用基于二甲基丙烯酰胺（DMAAm）和羟乙基丙烯酰胺（HEAAm）的聚合物在水-乙腈混合物中的共溶剂效应，研究人员通过改变合成所用水溶液中的乙腈含量，制备了孔径可调至数微米的多孔网络。通过改变溶剂混合物来调节孔径，可以微调水凝胶和微凝胶的力学性能和扩散性能，其刚度范围为几kPa至超过100 kPa，4 kDa FITC-葡聚糖的扩散系数从50变化到超过130 μm² s^?1。使用光学显微镜、（冷冻）扫描电子显微镜、流变学、纳米压痕和荧光恢复后光漂白进行的详细分析证实了所观察到的性能对网络形态的依赖性，以及水凝胶和微凝胶样品之间孔径和互连性的相似性。所获得的水凝胶和微凝胶在生物工程、传感和响应性材料等领域显示出巨大的应用潜力。

论文解读：共溶剂效应辅助构建孔隙率、扩散性与刚度可调的水凝胶和微凝胶

水凝胶是一类在水中溶胀的交联聚合物网络，其内部同时存在固体聚合物骨架和液相，形成多孔双相结构，能够模拟天然细胞外基质。多孔特性使水凝胶能够高效传输营养物质和代谢产物，因此在组织工程、药物递送、软体机器人等领域具有巨大应用潜力。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，孔径小于2 nm为微孔，2–50 nm为介孔，大于50 nm为大孔。微凝胶作为胶体尺度的水凝胶颗粒，比表面积更高，可通过孔隙结构的调控进一步优化其力学性能、分子扩散速率和细胞相互作用。然而，如何精确控制孔隙率并同时调节水凝胶和微凝胶的物理化学性质仍是挑战。

现有制备多孔水凝胶的方法主要分为模板法和动力学法。模板法包括固相模板、乳液模板、泡沫模板及自组装模板，可获得微米级至数百微米的孔，但通常需要后处理去除模板。动力学法则包括气泡生成、气体注入、静电纺丝、冷冻干燥和相分离等。相分离法可通过温度变化或引入不相容组分实现多孔结构，其中利用聚合物的共溶剂效应实现非溶剂诱导相分离（NIPS）是一种有前景的绿色途径。共溶剂效应是指两种单独作为聚合物良溶剂的溶剂在特定比例混合时，反而变为不良溶剂，导致聚合物链塌缩或沉淀。然而，现有共溶剂效应体系多集中于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）均聚物，共聚物组成作为独立设计参数尚未被充分探索。为了填补这一空白，研究人员利用二甲基丙烯酰胺（DMAAm）和羟乙基丙烯酰胺（HEAAm）共聚物在水-乙腈混合物中的共溶剂效应，首次将共聚物比例与共溶剂浓度结合，实现了孔隙率双重参数调控，并将同一设计原则从宏观水凝胶拓展至液滴微流控微凝胶。相关成果发表于《Macromolecular Rapid Communications》。

在研究方法上，研究人员首先通过浊点温度测量确定了不同DMAAm:HEAAm比例下聚合物在水-乙腈混合物中的相分离边界。基于此，他们在70–90 vol%乙腈和0–40 mol% HEAAm范围内，采用紫外光引发自由基聚合合成了系列水凝胶。对水凝胶的外观、凝胶分数和溶胀比进行了表征，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察网络形貌，结合流变学与压缩测试测定力学性能。随后，该方法被成功转移至液滴微流控平台，通过改变乙腈含量（0、80、90 vol%）制备了低、中、高孔隙率微凝胶，并利用光学显微镜、冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）、纳米压痕、荧光恢复后光漂白（FRAP）等手段表征其尺寸、形貌、力学性能和扩散性能。所有微凝胶样品均来源于同一微流控设备，使用HFE油与FluoSurf表面活性剂作为连续相，紫外光照射液滴完成聚合。

在水凝胶部分，研究发现随着乙腈含量增加，水凝胶由半透明变为不透明，凝胶分数从约95%降至约70%，而溶胀比升高，这是因为浊度增加导致紫外光散射，聚合不完全，网络交联密度降低。在恒定90 vol%乙腈下，提高HEAAm含量使凝胶分数上升、溶胀比下降，这与HEAAm的氢键供体能力增强链间相互作用有关。SEM图像显示，低乙腈含量（70 vol%）下无明显孔隙，而80和90 vol%乙腈样品形成微米级大孔；提高HEAAm含量使网络从光滑纤维状变为颗粒状聚集体。流变学和压缩测试表明，70和80 vol%乙腈水凝胶储能模量约为22和7 kPa，压缩模量约为100和40 kPa；而90 vol%乙腈样品模量降至3 kPa以下，表明孔隙率增加使材料变软。

在微凝胶部分，研究人员通过优化光引发剂浓度（10 mg/mL）获得了均质稳定的微凝胶。低、中、高孔隙率微凝胶直径约为130–150 μm，尺寸分布狭窄（标准差≤10 μm），溶胀度约为90