阿克伦大学郑洁教授课题组：宏观相分离策略弥合结构水凝胶的网络分离（双层水凝胶）和结合（双网络凝胶）

近日, 美国阿克伦大学郑洁教授团队的AMR述评文章“Spontaneous Macrophase Separation Strategy for Bridging Hydrogels from Bilayer to Double-Network Structure”在线发表。文章重点总结了基于宏观相分离策略的设计理念及在结构水凝胶（特别是双网络和双层凝胶）的拓扑网络和多尺度层次结构的可控调节；作者重点阐述并分析由团队首次提出的两类宏观相分离策略：(1）聚合速率的差异和（2）溶胶-凝胶相转变，诱导凝胶网络自发分离，实现从双网络到双层结构的水凝胶的可控制备。该策略的提出首次实现连接双层结构和双网络结构这两个水凝胶领域看似完全没有联系的研究方向。

原文提要：

“In this Account, we introduce a new macrophase separation strategy that leverages differential polymerization rates and sol-to-gel phase transitions, enabling a bridging of the design and manufacturing gap between bilayer and DN hydrogels. This strategy facilitates the smooth creation of hydrogels with varied structures, from bilayer to DN structures, enabling the precise control of topological networks and multiscale hierarchical architectures. The approach is grounded in the selection of polymer pairs that are compatible with the macrophase separation concept, ensuring that the distinct characteristics of both bilayer and DN hydrogels are effectively realized in terms of their structures, design strategies, synthesis routes, and primary functions. Three distinct macrophase separation strategies are outlined, each demonstrating the concept through the careful selection of compatible polymer pairs. By demonstrating the versatility and functionality of the bilayer and DN hydrogels, the macrophase separation strategy not only achieves rapid and reversible actuation in bilayer hydrogels and outstanding mechanical strength and interfacial adhesion in DN hydrogels but also combines dynamic actuation abilities with robust mechanical integrity within both bilayer and DN hydrogels.”

1 文章内容简介

双层（bilayer）水凝胶和双网络（double-network） 水凝胶代表了两种不同的软凝胶材料，它们都具有独特的两相网络结构、设计原理、合成方法以及特定的应用方向。双层水凝胶由两层不同的结构组成，该结构有利于针对环境刺激做出响应行为，并进而实现可控驱动。双网络水凝胶则由两个相互交织但独立的网络组成：其中一个网络属于脆性网络，另一个网络则呈现弹性。众所周知，双网络结构可实现显著力学增强和独特的能量耗散机制，通常远远超过传统的单网络水凝胶的强度。目前，尽管两类水凝胶都有各自的优势，但由于其固有的结构差异，这两类水凝胶的制备及其应用往往是相互独立的。如何有效地实现网络的可控分离和结合是目前该领域的难点。

在该论文中，作者总结了由团队首创的一种全新的宏观相分离策略，该策略利用两相的聚合速率差异或其中一相的可逆溶胶-凝胶转变特点，在一锅法的条件下可控地实现两个亲水网络的精准分离。由于网络可控地分离与结合，宏观相分离有助于构筑具有从双层到双网络结构的各种结构的水凝胶，并实现对拓扑网络和多尺度层次结构的精确控制。作者通过选择与宏观相分离概念适配的聚合物组合体系，优化结构、设计策略及合成路线，并最终实现两相水凝胶在网络结合和分离过程中的独特性能转变。在应用方面，作者也展示了所制备的双层和双网络凝胶的多功能性，完美地实现同种材料在不同网络组合下的性能差异—即在网络分离时水凝胶呈现可逆、快速的驱动；在网络结合时水凝胶展示出优异的力学强度及界面粘附性。

综合来看，相比于传统的制备策略，例如逐层 3D/4D 打印、自组装和多次聚合-组装等技术，宏观相分离策略兼具简单的制备过程、可控的相分离效率以及更高效的层间厚度控制等特点。该策略在结构水凝胶领域是一种变革性方法，首次实现两个亲水网络的可控分离和结合，并进而实现双网络和双层水凝胶材料的有机连接。

2 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会。

作者团队：

目前相对独立的双层凝胶和双网络凝胶研究方向迎来了有机结合的机会，我们希望所提出的宏观相分离策略将启发研究者们迸发出更多的有趣设计，进而实现网络的多样化调控。同时，目前可用于调控网络的结合和自发分离的体系还相对较少，期待更多的组合体系的出现！

3 AMR：您认为该领域当前最值得关注/最有争议的研究热点是什么？

作者团队：

目前，双层水凝胶在应用过程中很容易出现“分层”现象，易使水凝胶材料失去原有的驱动性能。宏观相分离可以在制备过程中调控分离效率，我们也仍然能观察到所制备的水凝胶材料存在该“失效”现象。因此，宏观相分离策略仍然有进一步优化的空间。下一步，我们认为该领域仍然需要更多的适配于宏观相分离的聚合物对。我们可使用更为先进的理论模拟来找到可自发分离的单体组合，并进一步考察其分离效率，从而建立一个宏观相分离网络数据库，用以设计新型结构化水凝胶。另一方面，宏观相分离策略还可以应用到其他软物质体系，例如弹性体，油水凝胶等，我们期待着更多有趣且新奇的设计！

4 AMR：有什么科研心得想分享给读者们？

作者团队：

在实验学科中，我们要善于发现实验过程中特殊的，但“转瞬即逝”的有趣现象。本研究的灵感来自特殊体系在双网络水凝胶的制备方法下呈现出有趣的相分离过程。我们敏锐地捕捉到这一现象并进一步提出“宏观相分离”的概念，从而首次串联起双网络和双层水凝胶两个独特的领域，为可控网络分离和结合以及后续结构水凝胶的应用注入了新的活力。

作者简介

张冬，于2022年12月获得美国阿克伦大学化学工程博士学位，师从郑洁教授。2023年1月加入佐治亚理工学院生物医学工程系，夏幼男教授组，从事博士后研究工作。主要研究方向为聚合物材料、纳米材料的可控设计和制备及其在环境科学、生物医学等领域的应用探索。

郑洁，现任美国阿克伦大学化学工程学系教授，系主任。他的研究涵盖疾病相关蛋白质探索、生物材料设计和结构生物学，并同时利用多种不同的研究工具（包括且不仅限于实验方法、生物物理分析、分子模拟和机器学习模型等）。截至目前，他已发表超过 290 篇SCI论文，累计引用23,300 次，H 指数为 82。

扫码阅读郑洁教授团队的精彩Account文章：

Spontaneous Macrophase Separation Strategy for Bridging Hydrogels from Bilayer to Double-Network Structure

Dong Zhang, Qiang Chen, Hong Chen, Yijing Tang, and Jie Zheng*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00209

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