宾夕法尼亚大学杨澍教授课题组 Small：动态共价键组装的水基橡皮泥

  细胞工程、柔性机器人、可穿戴电子设备等前沿领域对新材料提出了愈发多样的要求。传统的弹性体（如硫化橡胶）具有优秀的弹性，但缺乏再塑形的能力，对环境造成沉重负担；另一方面，塑料虽然可以通过高温进行再塑形，但在常温下易碎且无弹性。热塑性弹性体通过引入树脂段和橡胶段，在保留弹性的基础上增强了高温下的可塑性。但相应的，其合成难度和成本随之上升，且依然无法实现自愈合和快速应力松弛。究其原因在于共价键的高键能和不可逆性之间无法调和的矛盾。

  有碍于此，宾夕法尼亚大学杨澍课题组提出使用动态共价键替代传统的不可逆共价键，形成的水基橡皮泥材料，集易拉伸、高可塑性、自愈合、可逆粘合以及快速应力松弛于一体，且可便利地加入亲水性功能基元（如碳纳米管和生物标记）。根据所加入的基元性能，此种水基橡皮泥（ABC胶体）有望成为能同时提供弹性、可塑性、可逆粘合和自愈能力的多功能平台。相关成果以标题为 “SMART Silly Putty: Stretchable, Malleable, Adherable, Reusable, and Tear-Resistible Hydrogels” 发表在 Small。西湖大学副研究员陈铭韬为论文第一作者。

图1. （a）聚乙烯醇/硼酸（AB）胶体和 聚乙烯醇/硼酸/壳聚糖（ABC）胶体的结构示意图。（b）不同pH条件下AB和ABC胶体的结构强度展示。

  以聚乙烯醇（A）与硼酸（B）之间形成的硼酸酯动态共价键为主体，AB胶体可在室温条件下进行快速的键解离和再成键（图1a）。硼酸酯在不同pH条件下表现出不同的 “键解离―键再生” 平衡，导致AB胶体只在pH=9时形成橡皮泥态的透明材料（图1b，AB15）。后续加入壳聚糖（C），其富含的羟基与氨基可与水分子通过氢键形成第二网络，同时也可与聚乙烯醇和硼酸分别形成氢键和硼酸酯键，强化了双网络之间的联系，即ABC胶体（图1a）。壳聚糖对结构强度的增益作用使得在pH11的条件下原本液态的AB溶液转变为凝胶态（图1b，AB15C2）。

图2. (a) ABC胶体（pH=9）在（b）不同拉伸速度下表现出的超强延展性以及（c-e）通过硼酸酯键交换实现的快速（