摘要：第一作者：Siheng Wang通讯作者：Feng Jiang，He Liu通讯单位：不列颠哥伦比亚大学，中国林业科学院林化所DOI: 10.1002/adma.202416916
第一作者：Siheng Wang
通讯作者：Feng Jiang，He Liu
通讯单位：不列颠哥伦比亚大学，中国林业科学院林化所
DOI: 10.1002/adma.202416916
相分离是自然界中普遍存在的一种集体现象。许多无膜的细胞质和核区室，如P颗粒（秀丽隐杆线虫胚胎中含RNA和蛋白质的体），通过相分离表现出类似液体的形式和特性。当过饱和溶液自发分离成两相时，就会发生这种物理过程：密相和稀相，它们可以共存。活细胞利用相分离来构建细胞质，并通过形成富含蛋白质的液滴来调节生物功能。除了细胞内相分离外，某些细胞外基质蛋白，如贻贝足蛋白、树脂蛋白和蜘蛛丝蛋白，也通过相分离逐渐组装成功能性超分子聚集体。特别是在蜘蛛丝纺丝过程中，储存在腺囊泡中的蜘蛛红蛋白溶液可以通过相分离达到高浓度，这为组装的纤维提供了优异的强度和韧性。生物系统中另一个众所周知的例子是原弹性蛋白，它在分泌到细胞外基质中时会发生自凝聚。然后，由于相分离，它会自组装成弹性纤维，为弹性组织提供强度和弹性。
这些生物大分子相分离的演变激发了高性能和多功能聚合物材料，特别是水凝胶的设计。近年来，人们在诱导水凝胶网络内的微相分离方面做出了相当大的努力，主流策略包括通过引入极性官能团建立密集的氢键，引入静电相互作用，通过添加非极性基团创建疏水缔合，诱导聚合物结晶和构建独特的网络架构。尽管通过上述诱导微相分离的策略可以实现增强的机械性能，但这些策略通常涉及复杂的聚合物合成和繁琐的设计程序。为此，最近提出了盐结晶作为产生微相分离的替代方法。通常，通过在相容的聚合物体系中结晶过饱和的乙酸钠（CH3COONa，称为NaAc），开发了一系列微相分离的水凝胶。由于结晶引发的严重相分离，这些水凝胶的模量通常会急剧增加，从软水凝胶转变为硬水凝胶。然而，这种增强通常是在牺牲弹性的情况下实现的。例如，在经历结晶诱导的微相分离后，所得水凝胶的抗拉强度从≈0.01增加到0.75 MPa，杨氏模量从8.9 kPa增加到83 MPa，同时断裂应变从70%急剧降低到6%。因此，目前的大多数研究都集中在通过使用过饱和的NaAc溶液构建刚性水凝胶上，而没有考虑弹性和整体韧性。同时实现强水凝胶和可拉伸水凝胶的策略尚未制定。本文亮点
1. 本工作引入了一种相工程设计策略，通过利用纤维素纳米晶体（CNC）的水合效应来减轻微相分离，使用过饱和的NaAc盐生产可拉伸但坚韧的水凝胶。
2. CNC缓解的微相分离水凝胶具有前所未有的力学性能，例如，抗拉强度为1.8 MPa，断裂应变为4730%，韧性为43.1 MJ m−3，断裂能为75.4 kJ m−2，疲劳阈值高达3884.7 J m−2。3. 这种方法在合成各种微相分离增强聚合物凝胶方面是通用的，包括聚丙烯酸、聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚物、明胶和海藻酸盐。
图文解析
图1. 通过相工程增强水凝胶的设计和结构特征。a）利用CNC增强水凝胶的分子结构和机理减轻了微相分离。红色区域代表聚合物相，蓝色区域代表结晶相。b） 一个异常但可行的机械性能增强规律需要打破强度和韧性之间的传统困境。c） PAAm/NaAc/CNC、PAAm/NaAc和PAAm水凝胶的体积韧性与拉伸强度的比较。d） 这种CNC的增强因子减轻了各种水凝胶系统中的微相分离设计策略，包括PAAm、PAA、P（AA-co-Am）、明胶和藻酸盐。
图5. CNC的普遍性减轻了微相分离对增强和增韧水凝胶的影响。a） 微相分离前后合成的PAA、P（AA-co-Am）、明胶和藻酸盐基水凝胶的照片。背景晶格的网格大小为1 cm。b−e）微相分离设计前后合成的PAA-b）、P（AA-co-Am）-c）、明胶-d）和藻酸盐基e）水凝胶的拉伸应力-应变曲线。f−i）微相分离设计前后合成的PAA-f）、P（AA-co-Am）-g）、明胶-h）和藻酸盐基i）水凝胶的断裂和抗压强度的比较。j−m）微相分离设计前后合成的PAA-j）、P（AA-co-Am）-k）、明胶-l）和藻酸盐基m）水凝胶的断裂能和撕裂能的比较。f−m中的数据）表示为平均值±标准偏差（n=3）。
来源：华算科技