【科學背景】
水凝膠在水分含量（最高98 wt％）和柔軟度（典型模量在101–104 Pa範圍內）方面通常與許多生物組織相似，因此可用於許多生物醫學和製藥應用。在這種情況下，可在體內轉化為水凝膠的可注射溶液可用於特定的應用，例如生物活性劑和活細胞的靶向遞送，生物印刷以及微創組織近似等。
一種可能性是基於含有可聚合官能團的單體或聚合物溶液的可注射製劑的原位化學（共價）交聯。儘管廣泛使用，但是由於擔心所用化學物質（單體，引發劑等）的毒性和/或體內涉及的化學反應（自由基，反應熱等），該策略可能會受到其範圍的限制。一個有吸引力的替代方法是使用較弱的超分子相互作用，可以響應外部刺激（例如體溫，鹽濃度或pH）將其打開以原位形成物理水凝膠。這種刺激響應性水凝膠通常提供可逆的凝膠化，並且當需要這種特徵時允許按需切換和去除。
根據其功能，水凝膠在其使用壽命期間會遇到不同種類的機械應力，並且可能會在小應變（線性）範圍之外發生變形。因此，對於最佳設計而言，重要的是要了解這些軟材料在大應變下的非線性行為。可以使用常規實驗（例如單軸拉伸或壓縮測試）來測量化學水凝膠的非線性機械性能。此外，通過與疏水性系統（如交聯橡膠）進行類比並使用橡膠彈性理論，這些材料的非線性行為可以與它們的（納米）結構和/或線性機械性能相關聯，反之亦然。然而，物理交聯的水凝膠的非線性行為遠未得到研究和理解，這可能是由於在這些材料上進行常規的非線性表徵實驗很困難。例如，對在室溫下處於溶膠（液態）狀態的熱響應性水凝膠進行伸長的流變學或單軸拉伸實驗具有挑戰性。
儘管如此，由於其實際的方便性，溫度仍然是受歡迎的刺激因素。對於生物醫學應用而言，在水中具有接近人體溫度的所謂的較低臨界溶液溫度（LCST）的聚合物特別受關注。聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAM）是LCST聚合物的原型，在加熱到32°C以上時，線圈到球的過渡非常尖銳。PNIPAM的LCST幾乎與聚合物的濃度和分子量無關，通常會導致突然的宏觀相分離，也稱為脫水收縮。因此，PNIPAM可以與親水性共聚單體共聚，以產生穩定的可熱切換的締合聚合物（物理水凝膠），而不會發生體積轉變。
郭等人(doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00798)研究了基於PNIPAM和親水性聚（N，N-二甲基丙烯醯胺）（PDMA）接枝共聚物的化學和物理交聯水凝膠的納米結構與機械性能之間的關係。為了說明拓撲的作用，他們通過保持化學，結構（接枝）和單體組成（50-50附近）相同，研究了具有反向拓撲結構的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA。
儘管它們的熱相轉變存在一些差異，但是當加熱到PNIPAM的LCST以上時，這些化學交聯的水凝膠顯示出它們的模量類似的提高。換句話說，基於遠高於轉變溫度的線性動力學行為，無法區分它們。但是，在大應變下進行研究時，與逆拓撲相比，以PNIPAM作為交聯網絡的水凝膠的熱增韌程度要大得多。這種差異主要是由於在斷裂實驗期間交聯的PNIPAM-g-PDMA中裂紋的廣泛分叉。根據小角度中子散射（SANS）的見解，兩種水凝膠在大應變力學性能方面的重要差異歸因於疏水性PNIPAM締合體之間連續納米結構的形成，而PNIPAM含量與接枝物相同導致分離聚集體。在單軸變形下，對於富含PNIPAM的域觀察到的仿射變形支持了這種情況。
在PNIPAM-g-PDMA的情況下，類似的解決方案在其熱相變方面顯示出一些差異，其中躍遷更突變，焓變更高。但是，與它們的化學交聯對應物相似，當加熱到PNIPAM的LCST以上時，兩種溶液最終具有可比的線性凝膠狀粘彈性質。對於PNIPAM骨架，作者建議從疏水締合形成連續的納米結構，以說明穩定凝膠的形成。但是，如果沒有非線性力學實驗，則在逆拓撲PDMA-g-PNIPAM的情況下，無法區分單獨的疏水簇或連續的納米結構。
【科研摘要】
基於弱分子間相互作用的可刺激刺激的可注射水凝膠可代表需要弱至中度粘附力的生物醫學應用中化學反應性粘合劑水凝膠的更安全替代品。最近，法國索邦大學軟物質科學與工程院Costantino Creton 和Dominique Hourdet教授團隊研究了兩種具有相反拓撲結構的熱響應性接枝共聚物的線性和非線性流變特性以及粘合特性。相關論文Topology-Specific Injectable Sticky Hydrogels發表在大分子頂刊《Macromolecules》上。其中聚（N-異丙基丙烯醯胺）-g-聚（N，N-二甲基丙烯醯胺）（PNIPAM-g-PDMA）和PDMA- g-PNIPAM。除了它們的拓撲結構，這些共聚物在化學，結構（接枝）和單體組成（50-50 wt％）方面類似。在很寬的濃度範圍內，它們都可以在室溫下形成可注射的均質溶液，並在接近人體溫度的狀態下變成柔軟的粘稠粘彈性水凝膠。經發現，這兩種水凝膠的線性粘彈性特性在遠高於熱轉變溫度時無法辨別。然而，具有長的熱響應性主鏈的PNIPAM-g-PDMA水凝膠在探針粘性測試和剪切中均顯示出在大應變中的應變硬化行為。反向拓撲結構PDMA-g-PNIPAM沒有硬化，只是軟化直到失效。無論聚合物濃度如何（在糾纏態下），都可以觀察到這種區別。作者將硬化歸因於來自強疏水性PNIPAM締合的連續的，承重的納米結構，而軟化歸因於短PNIPAM嫁接物易於從由PDMA骨架橋接的單獨疏水性簇中拉出。這項工作的發現突出了大分子設計在確定納米結構中的重要性，從而確定了軟物質水凝膠在特定應用中的機械性能。
【圖文解析】
探針粘性測試
通常在探針粘性測試機上研究諸如壓敏粘合劑（PSA）之類的軟粘合劑的粘性。但是，這種標準方法不適用於像本工作中那樣具有大量水含量的熱敏水凝膠。作者改裝了配備了足夠靈敏的軸向稱重傳感器（0.1 N）和精確的Peltier平板溫度控制系統的DHR-3（TA Instruments）流變儀，以進行探針粘性實驗。該過程的逐步方案如圖1所示。作者注意到粘合劑的非常柔軟的性質和限制（r h0，其中r和h0是探針的半徑和層的厚度）將此測試與單軸拉伸測試區分開來，單軸拉伸測試測量的是較長固體形狀的啞鈴形樣品的強度，其寬度（w）和厚度（t）與長度（l> w和t）相比較小。
圖1.適應流變儀的新探針定位程序所涉及步驟的示意圖。
安裝在流變儀軸向測力計上的扁平噴砂探頭和安裝在Peltier溫度控制系統上的噴砂板分別用作頂板和底板。兩塊板均由不鏽鋼製成，作為簡單的模型表面。在圖1中的步驟1和步驟2中，底板始終保持在20°C。溶液的所需體積由薄膜的初始厚度（h0= 200–800 μm）和探針的半徑（r用20℃的微量移液器將其放置在底板上。不同於在更固體的粘合劑樣品上進行典型的探針粘性測試（在該樣品上，探針輕輕壓下該層以確保緊密接觸），可注射溶液呈液態，只需將溶液擠壓至所需的初始厚度即可輕鬆實現良好的接觸（步驟2）。
然後將該層快速加熱至目標溫度（除非另有說明，否則為50°C），然後保持10分鐘，以確保整個水凝膠的溫度均勻（圖1的步驟3和4）。所有實驗均以零殘餘力開始。最終，以恆定的剝離速率（Vdeb）拆卸探針所需的軸向力被記錄為時間（或位移；步驟5）的函數。然後從原始數據中計算出名義應力（σ）（定義為測得力（F）除以初始接觸面積（A0））和名義應變（ε）（定義為通過初始厚度歸一化的位移）。可以將名義應變率（εcan）定義為通過初始厚度歸一化的脫粘率。
逆拓撲綜合
關於大分子結構，可以突出一些差異，主要與單個組分的大小有關。主要區別在於主鏈的摩爾質量：PDMA-g-PNIPAM的Mn = 320 kg·mol-1和PNIPAM-g-PDMA的880 kg·mol-1。由於PNIPAM（Mn = 8 kg·mol–1）和PDMA（Mn = 14 kg·mol–1）的接枝大小也不同，因此PDMA-g-PNIPAM每個骨架的平均側鏈數為20 PNIPAM-g-PDMA為30。作者還注意到在PNIPAM-g-PDMA的SEC跡線中有一小部分（約5 wt％）未反應的PDMA接枝。但是，這不會影響PNIPAM主幹的熱響應行為。共聚物的結構示意圖以及在液態和凝膠態下8 wt％時其配方的圖像如圖2所示。
圖2.（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA分子結構的示意圖。下面的圖片分別來自於20和50°C時其8 wt％的溶液和水凝膠。以下使用的顏色代碼基於主幹，即PDMA-g-PNIPAM為藍色，PNIPAM-g-PDMA為紅色。
熱敏組裝
如前所述，在親水和PNIPAM序列之間採用平衡組成設計的熱敏接枝共聚物在半稀釋溶液中不會發生宏觀相分離。確實，該共聚物按每個序列的50 wt％進行定製時就是這種情況，這使能夠在很寬的濃度和溫度範圍內研究其性能。假定從這些共聚物溶液中獲得的水凝膠僅在轉變溫度以上才發生物理交聯，可以合理預期它們的機械性能強烈取決於相分離動力學和締合的最終形態。
圖3比較了在2°C·min-1下加熱時，兩種共聚物在8 wt％總聚合物濃度（4 wt％PNIPAM）下的熱行為。鑑於它們的相同性質，兩種拓撲的熱行為差異非常明顯。當共聚物帶有PNIPAM側鏈時，PDMA-g-PNIPAM的轉變發生在相對較高的溫度下（39.6對35°C），與逆拓撲PNIPAM-g-PDMA相比，焓降低了60％。轉變也更廣泛，發生在14°C以上，而PNIPAM-g-PDMA的轉變非常尖銳（高於8°C）。
圖3.DSC熱分析圖，顯示了水中8 wt％的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA以2°C·min-1的速度變化時，熱流量與溫度的關係。
作者注意到，圖3中的PDMA-g-PNIPAM熱譜圖清楚地表明沒有未反應的PNIPAM移植物。如果是這樣的話，游離的PNIPAM大單體將在較低的溫度下相分離，從而導致在接枝的PNIPAM之前的第一個明顯峰（約35°C）（約40°C）。至於逆拓撲，由於側鏈不具有熱響應性，因此不能使用此參數。然而，只要保持50:50的重量比，未接枝的（游離）親水鏈不會影響PNIPAM骨架的熱締合行為。
轉變以上的相態
通過以D2O為溶劑的小角中子散射，研究了由PNIPAM在局部尺度上熱相分離引起的共聚物配方的形貌，以增強兩相之間的散射對比度。先前已經證實，PNIPAM在D2O中的行為與H2O中的行為基本相同，轉變溫度發生了1-2°C的變化。圖4顯示了測得的散射的對數圖 D2O中兩種共聚物在不同溫度下的強度I作為散射矢量q的函數。通常，在給定的長度範圍內，即一定的q範圍內的濃度波動，導致散射強度增強。如均質聚合物溶液所預期的，兩種共聚物溶液在20°C下幾乎不會引起散射。
圖4. D2O中8 wt％（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA的散射強度隨溫度的變化。實線標記為I ∝q–4。
非線性機械性能（大變形）
共聚物拓撲的作用
圖7A比較了在400μm厚的水凝膠層上以100μm·s–1的恆定剝離速率（對應於0.25 s–1的名義應變率）在400 m厚的水凝膠層上進行探針粘結實驗時的名義應力-應變曲線。插圖放大了應力平穩區域。相應的粘附能在圖7B中給出。兩條曲線在小應變（ε<1）時大體相似：隨著層均勻變形，名義應力會增加一個峰值，就像在密閉拉伸試驗中一樣。PNIPAM-g-PDMA水凝膠的應力尖峰較高，這是從動態模量得出的。
圖7.（A）在ε= 0.25 s-1時，在400μm厚的水凝膠層（50°C，10分鐘後）上進行探針粘結實驗的標稱應力-應變曲線。插圖中受壓的高原被放大了。（B）標準偏差的相應粘附能（Wadh）報告為誤差線。
然後，通過形成纖維狀結構將兩種水凝膠拉伸至大變形，如在剝離過程中在圖8A，B的側視圖中所看到的。實際上，廣泛的原纖化是在受限的不可壓縮層的剝離過程中獲得此類應變（高達1000％）的前提。然而，應力-應變曲線的形狀揭示了非線性機械特性的內在差異。拉伸後，PDMA-g-PNIPAM水凝膠的細絲不斷軟化，如名義應力的穩定下降（圖7A中藍色箭頭所示）所示。然而，利用逆拓撲，應力最初在原纖維形成期間經歷平臺，然後在拉伸至大變形期間再次升高（由圖7A的插圖中的紅色箭頭標記）。這表明細絲可能發生應變硬化。
圖8.（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA脫膠過程中的原纖化。在這兩種情況下，故障都是內聚的：在（A）中，故障開始於與探針的界面附近，從外圍向中心移動，而在（B）中，故障發生在最終變形後的細絲內。（C，D）剛剝離後的層圖像。
聚合物濃度在探針釘中的作用
圖9A，B分別繪製了在分別含有4、8和16 wt％PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA的凝膠上進行探針粘結實驗的名義應力-應變曲線。實驗條件與前面部分中有關8 wt％水凝膠的條件相同（見圖7），限制水平也是如此（r / h0= 25）。在圖9C中比較了作為聚合物濃度的函數的粘合能。為了補充分析，圖9D中顯示了所有層的失效後圖像。無論採用哪種拓撲結構，峰值應力均會隨著聚合物濃度的增加而不斷增加，這是由儲能模量的平行趨勢所預期的。換句話說，在濃度較低的水凝膠中，較低的應力水平會出現指法不穩定性。
圖9.在含有4、8和16 wt％（A）PDMA的水凝膠上，探針粘結實驗（50°C，10分鐘後，h0 = 400μm，ε= 0.25 s-1）的標稱應力-應變曲線-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA。插圖放大了高原區域。（C）相應的粘附能（瓦德）。（D）分離後立即剝離的層的圖像。顏色代碼已被一致地應用。
壓力增長
圖10A繪製了在流變儀中以0.25 s–1的恆定剪切速率剪切直至破壞後的8 wt％水凝膠的應力-應變曲線。圖10B，C分別顯示了來自流變儀板的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA的失效後圖像。不出所料，從這些曲線的初始斜率（評估為低於20％應變）獲得的模量值分別為0.37和1.40 kPa，與從線性流變實驗獲得的儲能模量非常吻合。
圖10.（A）在50°C下於8 wt％的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA水凝膠上以0.25 s-1的恆定速率進行的應力增長實驗產生的剪切應力與剪切應變。插圖放大了PDMA-g-PNIPAM的曲線。（B，C）水凝膠的失效後圖像。（B）中的樣品在虛線圓之間的空間中，因為中心部分已用圓錐體移除。
納米結構-性能關係
為了解釋這兩種水凝膠的拓撲特定的非線性行為，作者提出了圖11所示的納米結構。在PDMA-g-PNIPAM的情況下，短的熱響應性接枝可能會自締合成離散的集中簇（含約28 vol％ 含水量）。PNIPAM關聯之間的PDMA鏈將充當彈性活動橋。在這種情況下，過渡的逐步進行和凝膠化的延遲（4-5°C）可能是由於這些結合的成核和生長機制，與早期的作為核的結合相關，通過結合更多的NIPAM側鏈，其尺寸逐漸增大 隨著時間的推移（隨著溫度升高）。這與對類似化學水凝膠的觀察結果一致。
圖11.在50°C下為（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA水凝膠提出的示意性納米結構。中間的卡通代表各個探針粘性實驗的原纖化階段。用疏水性納米支架進行的應變硬化導致穩定的原纖維和整個層的變形。離散的疏水簇的應變軟化導致不穩定的原纖維，僅使層的最頂部變形。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.macromol.0c01826
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