扬州大学吴德峰团队：通过调控硼酸酯键的异质性来构筑多刺激触发的水凝胶驱动器

作为动态共价键家族中的一员，硼酸酯键由于可以在水环境中被构筑，因此在水凝胶的制备中引起了越来越多的关注。当水凝胶作为刺激响应材料时，硼酸酯键的角色定位非常明确，即作为功能单元赋予体系刺激响应能力。但这也限制了基于硼酸酯键的水凝胶的最终应用。扬州大学吴德峰教授团队提出了一种基于硼酸酯键不均匀分布的水凝胶构筑策略。其中硼酸酯键既作为结构单元，又作为功能单元，这使得水凝胶同时集成了驱动能力和传感能力（图1）。对于驱动器而言，由温度和pH触发的硼酸酯键可逆的断开和键合，使得空间异质性水凝胶内部出现了应力场的不均匀分布，最终实现了驱动器的可控变形。对于传感器而言，由于强的界面黏附力和硼酸酯键对温度的依耐性，使得水凝胶保留了“应变-电阻”和“温度-电阻”效应，制备的传感器能够捕捉到由于人体运动引起的温度和应变的变化。

图1.硼酸酯键在空间异质性水凝胶中扮演的角色

本文通过双层水凝胶的制备策略，在水凝胶的不同侧选择性地构建了硼酸酯键，在引入刺激响应单元的同时构筑了非均质的交联网络，即双层水凝胶的一侧只有PVA晶区的物理交联，另外一侧是硼酸酯键的化学交联和PVA晶区的物理交联共存。由于硼酸酯键对温度和pH表现出强烈的依耐性，使得这种非均质的网络在经历不同温度和pH历史时，表现出不均匀的应力分布。

图2. 空间异质性水凝胶在不同pH环境中的驱动行为

当驱动器在pH=4的环境中，下层中硼酯键合反应被抑制。此外，羧甲基纤维素的羧基也处于质子化的状态，降低了离子化的羧基间的静电相互作用。当环境的pH逐渐增大，下层的硼酯键合被触发，水凝胶网络受到硼酯键的束缚导致收缩。然而，上层羧甲基纤维素的羧基在碱性环境中进一步转化成离子态，羧甲基纤维素链受到静电排斥，导致上层水凝胶溶胀。而当环境的pH逐渐增小，这个趋势正好相反，变形过程可逆（图2）。

图3.空间异质性水凝胶的温度传感性能

硼酯键合反应不仅依赖于酸碱性，还依赖于温度。因此，上述水凝胶驱动器可受热环境触发，产生变形行为。也正是由于温度激发网络解构/重构消耗/释放了离子，改变了水凝胶的电导率，导致水凝胶的体积电阻产生变化。因此，该水凝胶还可以作为温度传感器去捕捉人体运动引起的微小温度变化（图3）。

这项工作提出了一种有趣的硼酸酯键异质性构筑的策略，解锁了水凝胶更多应用场景和工作模式。该工作发表于ACS Sustainable Chem. Eng.，扬州大学化学化工学院的博士研究生蒋晨光为第一作者，硕士研究生曾文杰为第二作者，吴德峰教授为通讯作者。

文献连接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c03518

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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