纤维素是一种取之不尽、用之不竭的天然高分子,其结构为D型葡萄糖相互连接而成的线型刚性高分子链。纤维素的亲水性、手性、生物降解性使之成为重要的材料原料,目前在化学新材料领域中占据一席之地。武汉大学蔡杰与张俐娜研究团队最近用纤维素为原料制备了高强度、高韧性的双网络水凝胶,这是科研界第一次开发出高强度、高韧性的纤维素水凝胶。该最新成果发表在《先进功能材料》上,题为“High-Strength and High-Toughness Double-Cross-Linked Cellulose Hydrogels: A New Strategy Using Sequential Chemical and Physical Cross-Linking”。
为了使凝胶材料获得高强度性质,研究者使用双网络水凝胶的思路进行制备。具体方法为:先将纤维素溶解在氢氧化锂/尿素的混合溶液中,随后加入环氧氯丙烷作为交联试剂,在一定时间后,就形成了第一个化学交联的三维网络。再进行中和,这样就形成了基于氢键、链缠结和纤维素II微晶水合物的的第二个三维网络。
得到的双网络水凝胶呈现透明或者是半透明的外观,水含量在84-96%。值得一提的是,这种水凝胶可以折叠,压力解除后可以迅速恢复原始形状。另外,这种凝胶具有很好的形状可塑性。作为概念的展示,研究者将其制备成球状。这个凝胶球具有很强的机械性能与恢复性能,甚至可以作为乒乓球来使用。
研究者使用3D拉曼光谱、原子力显微镜等多种表征技术证明了材料的双网络特点。希望这种材料可以作为新型的生物医用材料,并对其它多糖类天然高分子材料的开发也有着借鉴意义。
图1 研究者制备该双网络水凝胶的制备过程示意图
图2 a 物理交联纤维素水凝胶,b 物理化学双交联纤维素水凝胶,c 化学交联水凝胶
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