双层水凝胶是一种独特的软材料,在领域内经常被赋予各种刺激响应功能,可实现按需形状转换和变形,目前已广泛应用于人造肌肉、软电子和人机界面等的设计。制备双层水凝胶的常规策略通常涉及两步或多步的逐层聚合。例如,常规制备过程包含两步: (i) 聚合形成第一层水凝胶; (ii) 将第一层浸入第二层的前驱体溶液中,然后原位引发、聚合以形成第二层水凝胶。虽然这种逐层聚合策略对于异质结构的构筑十分有效,且适用于范围广泛的单体和交联剂;但逐步聚合存在某些固有的缺点,即第二层的预聚液不可避免地扩散并溶胀第一层凝胶,这一过程往往无法精确控制,因此导致水凝胶界面产生不均匀的互穿网络和异质缺陷。进一步地,双层界面处的结构不匹配极易导致缓慢的响应能力、弱界面结合力甚至层间脱离, 难以实现水凝胶的可持续应用。目前,为了解决这一问题,研究人员通常将提高界面粘附力和力学强度作为设计的关键点,在凝胶层间引入高度可逆的化学键(如离子缔合、超分子相互作用、氢键等)。
图1. 通过自由基聚合差异诱导宏观相分离策略制备双层水凝胶。
在通过一系列不同的单体进行预筛选后,作者确定了一类乙烯基单体和一类两性离子苯乙烯基单体,用于通过聚合诱导的宏观相分离机制制备双层水凝胶(乙烯基和苯乙烯基单体都具有良好的水溶性)。聚乙烯基(例如 pNIPAM)链段具有典型的热响应性,具有从亲水性(<LCST)到疏水性(LCST)的相转变过程,而同时结构性聚苯乙烯基两性离子网络(pVBPS)表现出离子强度依赖性。经一锅法制备得到的 pNIPAM-pVBPS 双层水凝胶由 LCST 层(PNIPAM主导)和两性离子层(PVBPS主导)组成,两层之间具有无缝界面,并且通过控制自发的宏观相分离在多长度尺度上可编程层厚度。
图3. 宏观相分离策略用于制备双层水凝胶的通用性。
图4. 不同乙烯基单体(6 种丙烯酰胺、6 种丙烯酸和 2 种叔胺衍生物)在通过反应诱导宏观相分离合成双层水凝胶时的层分离效率-化学结构的关系。
全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00149
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