中科院化学所贾迪课题组：利用物理特性调控带电复合水凝胶材料黏弹性质新策略

水凝胶材料因其独特的力学性能和粘弹性在生物材料和生物软组织工程中具有重要应用，例如仿生人体中的黏液、人眼中的晶状体、髓核，以及关节软骨等。随着水凝胶材料的日益发展和其应用需求与种类的日益扩大，精确调控水凝胶的黏弹特性成为了亟需解决的热点问题，但是目前大多数调控方法仍是通过改变凝胶的化学组成来实现调控，具有一定的局限性。

近日，在国家科技部、自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室的贾迪课题组在调控带电复合水凝胶材料黏弹性方面取得新进展。在不改变其化学物质组成的情况下，通过调控带电复合水凝胶体系中的物理相互作用和拓扑结构来精确调控水凝胶的黏弹性质，实现了在超软区域—软区域内对其弹性模量与黏性的同时定量调控。该工作利用高分子物理基础研究创新带动材料性能与应用创新，突显了高分子物理基础研究在材料与应用中的重要意义。相关研究成果发表于Nature Communications，论文第一作者为研究生王贵康，通讯作者为贾迪研究员，中国科学院化学研究所为文章第一研究单位。

在带电复合水凝胶体系中，聚阳离子链作为客体，带负电荷的凝胶网络作为主体，通过改变聚阳离子链尺寸与凝胶网格尺寸之比、摩尔电荷比和溶胀方法，来精确调控带电复合水凝胶体系的拓扑结构与主客体之间的物理相互作用力，从而实现准互穿复合凝胶网络，排斥型复合凝胶、离子键主导的物理复合凝胶等结构转变。基于此，他们建立了一个简易黏弹智库，实现了在水环境中带电复合水凝胶的弹性模量和黏性在超软区—软区域的同时定量调控，从“坚韧”凝胶到“超软”凝胶，从低阻尼的“弹性”凝胶到高阻尼的“黏性”凝胶。这一研究成果为仿生具有不同黏弹性质与模量的生物软组织与生物材料提供了重要的物理基础。

此外，他们还在带电复合凝胶体系中首次提出了“熵驱动拓扑等体积点”这一概念，当带电复合水凝胶达到溶胀平衡时，利用唐南平衡与多熵位垒的竞争效应，通过调控客体与主体之间的拓扑结构与相互作用，他们发现体系在达到溶胀平衡时出现了等体积点，即凝胶体积既不塌缩也不溶胀，这对于利用带电水凝胶仿生生物软组织，使其在水环境中保持稳定性与不变形性具有重要意义，也为调控带电凝胶体系的溶胀比提供了一种全新的物理策略。

图1. 利用非扩散型拓扑动力学调控带电复合水凝胶材料的黏弹性的新策略与机理，实现了在超软区域—软区域内对带电复合凝胶材料的弹性模量与黏性的定量调控。

中国科学院化学研究高分子物理与化学实验室贾迪课题组近期招聘具有高分子物理与化学、高分子材料、软物质物理与材料背景的博士后与助理研究员，特别欢迎擅长光散射、中子散射、X散射散射、介电松弛技术的青年才俊。有意面试者请投递简历至jiadi11@iccas.ac.cn

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Programming viscoelastic properties in a complexation gel composite by utilizing entropy-driven topologically frustrated dynamical state

Gui Kang Wang, Yi Ming Yang & Di Jia

Nat. Commun., 2024, 15, 3569, DOI: 10.1038/s41467-024-47969-z