摘要

受鉤-環扣件的啟發，福建師范大學 丁富傳副教授 ， 康涅狄格大學 Ying Li 助理教授 / 孫陸逸教授 團隊 設計了一種包含具有高密度表面羥基的 α-磷酸鋯 (ZrP) 二維納米片的水凝膠網絡，作為具有眾多“鉤子”的納米貼片，而具有豐富胺官能團的聚合物鏈組充當“循環”。

通過 多尺度分子模擬證實，納米片上的高密度羥基和聚合物鏈上的大量胺官能團對于在分子尺度上實現可逆相互作用至關重要，可作為納米鉤環緊固件耗散能量 。因此，合成的水凝膠具有優異的拉伸性（>2100% 應變）、壓縮回彈性（>90% 應變）和耐用性。

值得注意的是，水凝膠可以在模擬滑液的溶液中承受 > 5000 次壓縮和扭轉循環，因此有望用 于潛在的生物醫學應用，例如人工關節軟骨。可以采用和推廣這種鉤環模型來設計各種具有優異機械性能的多功能材料。相關論文以題為 Super Stretchable and Compressible Hydrogels Inspired by Hook-and-Loop Fasteners 發表在《L angmuir 》上。

主圖

受鉤環緊固件啟發的水凝膠

圖 1. (a) Xanthium 鉆頭的數字圖片。(b) 物理鉤環緊固件的圖像和納米鉤環緊固件的相應圖示（幾何形狀與實際鍵無關），其中 ZrP-NS 表面上部分帶電的羥基用作鉤子 ，而聚合物鏈上部分帶電的胺基團充當環。它們的離子相互作用導致納米級的鉤環效應。(c) 合成含 ZrP 水凝膠及其微觀結構的程序（未按比例繪制）。

水凝膠的優異拉伸性和壓縮性

圖 2. (a) 圓柱形 PAM-10ZrP-C 水凝膠樣品（直徑6毫米，長度40毫米）被全新剃須刀片強力擠壓，保持完整，拉伸后無可見裂紋的圖片 立即地;(b)圓柱形 PAM-10ZrP-C 樣品（直徑 23 毫米，高度 5 毫米）在被壓縮 90.0% 之前、期間和之后的照片；(c)圓柱形 PAM-C 樣品（直徑23毫米，高度5毫米）在輕輕壓縮之前和之后的照片；(d)水凝膠樣品的代表性拉伸應力-應變曲線；(e)水凝膠樣品的代表性壓縮應力-應變曲線；(f)PAM-10ZrP-C的循環壓縮試驗結果。

全原子分子模擬揭示的納米鉤環效應

圖 3. (a) 聚合物短鏈與 ZrP-NS、聚合物長鏈與 ZrP-NS、聚合物長鏈及其對應物之間的相互作用模型。(b-c)(b)彈簧力和(c)在拉動過程中所做的累積功ΔW的比較。(d)長聚合物和 ZrP-NS 之間的相互作用。聚合物鏈僅包含-NH ³⁺ 基團。ZrP-NS 具有不同面積密度的-O ^- 基團。(e)在拉伸過程中 ZrP-NS 上聚合物鏈的快照。在 ZrP-NS 上，氧原子在沿拉動路徑的 -O ^- 基團中用黃色編碼，在其他 -O ^- 基團中用紅色編碼。(f) 拉伸過程中ΔW 與納米片上-O ^- 基團面積密度的函數比較。(g)在 8.0 nm 距離處的ΔW 作為-O ^- 基團的面積密度的函數。

粗粒度 MS 揭示的“鉤”密度的重要性

圖 4. (a) 水凝膠的 CGMD 模型。納米片上的粉紅色點是活動鉤子。聚合物鏈上的珠子是環。鉤和環之間的動態鍵相互作用由結合和解除結合能壘控制。(b) 具有不同鉤密度的水凝膠的應力和應變曲線的比較，陰影代表誤差范圍。(c, d) (c) 應變 = 4 時水凝膠的應力和應變能(d)作為納米片上鉤密度的函數。(e)拉伸過程中水凝膠中納米片的快照及其相應的 P2 值 。

水凝膠在關節軟骨中的應用

圖 5. (a)關節示意圖（從文獻中重新繪制）；(b, c)數字圖片顯示了(b)空氣和(c)蛋白質緩沖溶液中髖關節模擬的設置；(d)在僅壓縮(C)或同時壓縮和扭轉 (C+T) 下模擬髖關節前后 PAM-10ZrP-C 上的負載。

總結

受鉤環緊固件的啟發，團隊設計了一種獨特的水凝膠網絡，其中包含許多 ZrP 納米貼片，以實現納米鉤環效果。這導致所得水凝膠具有超拉伸性、優異的壓縮回彈性和高耐久性，有望用于要求苛刻的應用，如人工關節軟骨。實驗和建模結果都證明了納米鉤環效應的重要性，有望啟發下一代多功能軟材料的設計。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00924

版權聲明： 「 高分子材料科學 」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。編輯水平有限 ， 上述僅代表個人觀點。投稿，薦稿或合作請后臺聯系編輯。感謝各位關注！