兩性離子水凝膠因防生物沾污性和生物相容性在生物醫學領域展現潛力，但其單一網絡結構導致機械強度和韌性較低，且傳統光/熱引發聚合需引入引發劑，存在熱損傷和生物毒性風險。此外，現有增強機械性能的方法（如引入非兩性離子組分）可能降低防生物沾污性，開發無需光/熱引發、兼具高強度與多功能的單網絡兩性離子水凝膠仍是挑戰。   
     針對上述問題，山東大學黃俊教授團隊開發了一種自聚合高纏結磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯-多巴胺水凝膠（SBMA-DA-PE）。團隊利用多巴胺氧化自由基聚合方法，以多巴胺同時作為聚合引發劑和動態交聯劑，在低交聯劑含量和高單體濃度下構建了高纏結網絡。該水凝膠的抗壓斷裂應力較常規兩性離子水凝膠提升10倍，抗拉斷裂應力提升5倍，兼具自修復、防生物沾污、可3D打�。ɡ�用EFL-BP66系列擠出式生物3D打印機）等特性。機制上，網絡中密集的纏結點與非共價相互作用（如靜電作用、氫鍵）協同增強了力學性能和疲勞抗性。相關工作以“Self-Polymerized Tough and High-Entanglement Zwitterionic Functional Hydrogels”為題發表在《Small》上。
 

     1. 高纏結水凝膠的制備與力學性能表征，通過自氧化聚合和紫外聚合方法，制備了SBMA-DA-PE水凝膠、PSBMA水凝膠和RH-PSBMA水凝膠，采用壓縮和拉伸測試研究其力學性能。結果表明，SBMA-DA-PE水凝膠的抗壓斷裂應力較RH-PSBMA提升10倍（達4.7 MPa），抗拉斷裂應力提升5倍（達210 kPa），且壓縮應變≥90%，歸因于網絡中纏結點多于交聯點的高纏結結構。      
 

2. 水凝膠的流變學與自修復特性分析，利用應變振幅掃描和頻率掃描測試流變性能，通過動態應變循環實驗評估自修復能力。結果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠在1500%應變下才開始斷裂，自修復60秒后拉伸強度恢復至130 kPa，非共價相互作用（如靜電作用、氫鍵）使其具備快速自修復能力（5分鐘內修復率）。      
 

3. 水凝膠的粘附性能與機制，通過搭接剪切測試研究SBMA-DA-PE水凝膠在鈦板、玻璃等不同基材上的粘附強度。結果表明，其在鈦板上的粘附強度達450 kPa，得益于多巴胺的鄰苯二酚基團與基材形成的金屬配位和共價鍵，以及兩性離子基團的離子-偶極相互作用。      
 

4. 鹽響應性與 防生物沾污性能研究，通過溶脹實驗和蛋白質/細菌粘附測試，分析水凝膠在不同濃度NaCl溶液中的溶脹行為及 防生物沾污能力。結果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠在1 mM NaCl溶液中溶脹率達550%，蛋白質吸附率低于5%，細菌粘附率低于2%，高密度水化層有效阻止生物分子附著。      
 

5. 3D打印性能與應用場景驗證，利用擠壓式3D打印技術制備矩形、圓柱等復雜結構，測試前驅體溶液的粘度-剪切速率關系。結果表明，SBMA-DA-PE水凝膠在預交聯時間60-240 min、打印速度500-1500 mm/min范圍內可穩定成型，且打印結構具備導電性和潤滑性（摩擦系數<0.02）。      
 

6. 水凝膠的鹽響應性與藥物釋放行為，通過溶脹實驗和羅丹明B釋放曲線，研究SBMA-DA-PE水凝膠在去離子水、0.1 mM和1 mM NaCl溶液中的體積變化及藥物釋放動力學。結果表明，隨鹽濃度升高，水凝膠溶脹率從150%增至550%，藥物釋放速率加快（1 mM NaCl溶液中120 h釋放70%），離子屏蔽效應削弱了網絡內靜電作用，導致鏈段松弛。      
 

7. 防生物沾污性能與生物相容性評估，通過牛血清白蛋白（BSA）吸附、細菌粘附實驗及細胞活性檢測，分析水凝膠的抗生物污染能力和安全性。結果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠的BSA吸附量僅為PDMS的5%，金黃色葡萄球菌粘附率低于2%，L929細胞存活率超90%，高密度兩性離子基團形成的水化層有效阻隔蛋白和細菌附著。      
 

8. 3D打印應用與多功能特性驗證，利用擠壓式3D打印制備“SDU”字樣、圓柱支架等結構，測試打印精度及導電、潤滑性能。結果表明，水凝膠前驅體在剪切速率10-1000 s⁻¹范圍內呈現剪切變稀特性，打印結構可承受200%拉伸并維持導電（電阻變化率<15%），表面摩擦系數低至0.017，適用于柔性電子器件和生物支架。      
 

研究結論
本研究開發了一種無需光/熱引發的自聚合高纏結兩性離子水凝膠（SBMA-DA-PE）。通過多巴胺自氧化引發聚合，構建了纏結點多于交聯點的網絡結構，使水凝膠的抗壓應力≥4.85 MPa、壓縮應變≥90%，抗拉斷裂應力較常規水凝膠提升5倍，且具備快速自修復能力（5分鐘內修復率60%）。該水凝膠在鈦板等基材上的粘附強度達450 kPa，在1 mM NaCl溶液中溶脹率為550%，蛋白質吸附率<5%，細菌粘附率<2%，并展現出良好的3D打印性能，可成型復雜結構且兼具導電性（拉伸200%時電阻穩定）和低摩擦系數（<0.02）。機制上，非共價相互作用與靜電協同效應賦予其力學強度和多功能特性。本研究為生物醫學領域提供了一種高強度、抗污染且可定制化的水凝膠材料策略，在柔性器件、組織工程等領域具有應用潛力。

文章來源：https://doi.org/10.1002/smll.202405789

(責任編輯：admin)

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