化学燃料驱动的共价交联聚合物材料：一种新型自修复水凝胶的诞生

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化学燃料驱动的共价交联聚合物材料：一种新型自修复水凝胶的诞生（DOI: 10.1039/c8cc09823a）

近年来，受生物系统非平衡态过程的启发，科学家们致力于开发能够模拟生命体系动态行为的“活性”材料。这类材料能在消耗“化学燃料”的情况下，暂时获得特定功能，随后在燃料耗尽后恢复原状。然而，目前大多数此类系统依赖非共价相互作用（如氢键、疏水作用等），导致其力学性能较弱，难以满足实际应用需求。
一项发表于《ChemComm》的研究首次实现了基于共价键的化学燃料驱动聚合物交联体系，为动态水凝胶材料的设计提供了全新思路。该研究由美国迈阿密大学化学与生物化学系及化学造纸与生物医学工程系的研究团队完成，通讯作者为C. Scott Hartley 和 Dominik Konkolewicz。

一、研究背景与核心思路
传统水凝胶多为静态结构，一旦形成便难以调控其力学性能。而生物系统，如肌肉组织或细胞骨架，却能通过ATP等化学燃料实现动态重塑。受此启发，研究者提出：能否利用化学燃料，在聚合物链之间形成可逆的共价交联，从而构建具有“生命周期”的水凝胶？
他们选择了碳二亚胺（EDC）作为化学燃料，驱动丙烯酰胺（Am）与丙烯酸（AA）共聚物侧链上的羧酸基团形成酸酐交联键。这种交联是共价的，因此水凝胶具有更高的强度；同时，酸酐在水环境中会缓慢水解，交联键断裂，水凝胶最终恢复为溶液状态，实现“自毁”功能。

二、实验设计与关键发现
1. 模型验证：酸酐键的形成与分解
研究者首先合成了一种末端带羧酸的寡聚丙烯酰胺（oligo(Am)COOH），作为模型分子。在0°C下加入EDC后，红外光谱中出现了酸酐特征峰（1809 cm⁻¹），证实了酸酐键的形成。该酸酐在约2分钟达到最大浓度，随后以一级动力学缓慢水解，半衰期约为1小时。
2. 聚合物水凝胶的构建与性能调控
研究者进一步合成两种不同AA含量的共聚物：

• poly(Am85-r-AA15)：AA摩尔比15%
• poly(Am65-r-AA35)：AA摩尔比35%
  

在4°C下加入EDC后，两者均迅速形成水凝胶，但AA含量越高，交联密度越大，水凝胶强度越高，寿命也越长：

• poly(Am85-r-AA15)：约3.5小时后恢复为液体
• poly(Am65-r-AA35)：约9.5小时后恢复为液体
  

3. 流变学表征：真正的“凝胶”行为
通过流变仪监测储能模量（G'）和损耗模量（G"）发现：

• 初始阶段G' > G"，表明形成固态凝胶
• 随时间推移，G'逐渐下降，最终G" > G"，表明凝胶解体
• AA含量高的体系峰值G'更高，交联更紧密
  

4. 可重复“加油”：多周期循环使用
更令人惊喜的是，该水凝胶可实现多次“加油”循环。在首次凝胶解体后，再次加入EDC，可重新形成凝胶。实验表明，poly(Am85-r-AA15)体系最多可循环8次，虽然后续循环中凝胶强度略有下降，但仍保持良好的可逆性。

三、优势与应用前景
相比现有依赖非共价作用的瞬态水凝胶，该体系的突出优势在于：

• 共价交联，力学强度更高：储能模量高出同类材料一个数量级
• 结构可调，性能可控：通过调节AA含量即可精确控制凝胶寿命与强度
• 可重复激活，循环使用：适合用于可逆封装、可控释放等场景
• 生物兼容性好：EDC常用于生物偶联反应，体系温和，适用于生物医学领域
  

四、未来展望
该研究首次将化学燃料驱动的共价交联引入聚合物材料体系，为开发具有生命周期、可编程力学性能的智能材料开辟了新路径。未来，研究者将进一步优化反应条件、拓展聚合物结构，并探索其在药物递送、组织工程、软体机器人等领域的应用潜力。