Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

5PVA‖, 10PVA‖ и 20PVA‖ гидрогелей после 24 ч высаливания в 1,5 М цитрата натрия. (b) Циклическая нагрузка гидрогеля HA-5PVA‖ до 500% деформации. (c) Распространение трещины за цикл нагрузки, dc/dN, при увеличении скорости выделения энергии. Скорость выделения энергии контролировалась соответствующей максимальной деформацией. (d-f)

Диаграммы Эшби зависимости предела прочности при растяжении от предельной деформации при растяжении (d), вязкость в сравнении с пределом прочности при растяжении (e), вязкость в зависимости от предельной деформации при растяжении (f) гидрогелей HA-PVA, других вязких гидрогелей и других вязких материалов. (g) Фотография гидрогеля НА-2желатина, полученного тем же способом, что и HA-PVA (слева), и кривые напряжение-деформация HA-2желатина и обычного 2%-ного гидрогеля желатина (справа). Масштабная линейка 5 мм. (h) Растяжение гидрогеля HA-5PVA‖, пропитанного полипироллом. Масштабная линейка 5 мм. ДC – двухсеточные гидрогели;

ПУПФ – полиуретан с памятью формы

Выводы. В данной статье были описаны гидрогели с иерархической структурой, которые сочетают в себе высокую прочность, ударную вязкость,

растяжимость и сопротивление усталости, используя подход высаливания вме-

сте с замораживанием. Учитывая, что эффект Хофмайстера существует для различных полимеров и систем растворителей, можно сделать вывод, что пред-

ставленная стратегия не ограничивается системами, представленными в данной статье. Можно предсказать, что с помощью представленной стратегии изна-

чально слабые гидрогели могут быть применены в медицине, робототехнике,

энергетике и аддитивном производстве.

Список литературы

1. Маганарис, С. Н. и Пол, Дж. П. Механические свойства сухожилий че-

ловека in vivo. J. Physiol. (Лондон), 521, 307-313 (1999).

2. Гу, Л., Цзян, Ю. и Ху, Дж. Масштабируемые сверхпрочные волокна,

похожие на паучий шелк, с использованием псевдопротеинового полимера. Adv. Матер. 31, 1904311 (2019).

3.Hong, S. et al. 3D-печать сильно растяжимых и прочных гидрогелей в сложные ячеистые структуры. Adv. Матер. 27. С. 4034-4040 (2015).

4.Xiang, C. et al. Растяжимые и устойчивые к усталости материалы. Ма-

тер. Сегодня 34, 7-16 (2020).

115

5. Huang, Y. et al. Матрицы, рассеивающие энергию, обеспечивают синер-

гетическое упрочнение мягких композитов, армированных волокном. Adv. Funct. Матер. 27, 1605350 (2017).

6.Zhang, H. et al. Выровненные двух- и трехмерные структуры путем направленной заморозки полимеров и наночастиц. Nat. Матер. 4. С. 787–793 (2005).

7.Чжан, Х. Шаблонирование льда и сублимационная сушка для пористых материалов и их применения (Wiley-VCH, 2018).

8.Цинь, Х., Чжан, Т., Ли, Н., Конг, Х. П. и Ю, С. Х. Анизотропные и са-

мовосстанавливающиеся гидрогели с возможностью множественного срабаты-

вания. Nat. Commun. 10, 2202 (2019).

9.Mredha, M. T. I. et al. Анизотропные жесткие многослойные гидрогели

спрограммируемой ориентацией. Матер. Horiz. 6. С. 1504–1511 (2019).

10.Mredha, M. T. I. et al. Простой метод изготовления анизотропных гид-

рогелей с идеально выровненными иерархическими волокнистыми структура-

ми. Adv. Матер. 30, 1704937 (2018).

11. Вегст, У.Г.К., Бай, Х., Сайз, Э., Томсиа, А.П. и Ричи, Р.О. Биоинспи-

рированные конструкционные материалы. Nat. Матер. 14. С. 23–36 (2015).

12.Sun, J.-Y. и другие. Очень эластичные и прочные гидрогели. Nature 489, 133–136 (2012).

13.Гонг, Дж. П., Кацуяма, Ю., Курокава, Т., Осада, Ю. Гидрогели с двой-

ной сеткой и чрезвычайно высокой механической прочностью. Adv. Матер. 15, 1155–1158 (2003).

14. Ху, X., Ватанхах-Варносфадерани, М., Чжоу, Дж., Ли, К. и Шейко, С.

С. Слабая водородная связь позволяет создавать твердые, прочные, жесткие и эластичные гидрогели. Adv. Матер. 27, 6899–6905 (2015).

15. Лин, П., Ма, С., Ван, X. и Чжоу, Ф. Полученный методом молекуляр-

ной инженерии гидрогель с двойными поперечными связями, обладающий сверхвысокой механической прочностью, ударной вязкостью и хорошим само-

восстановлением. Adv. Матер. 27. С. 2054–2059 (2015).

116

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

16.He, Q., Huang, Y. и Wang, S. Hofmeister способствовали одноэтапному изготовлению пластичных и прочных гидрогелей желатина. Adv. Funct. Матер. 28, 1705069 (2018).

17.Lin, S. et al. Гидрогели против усталостного разрушения. Sci. Adv. 5, eaau8528 (2019).

18.Бай Р., Янг Дж., Морелль Х. П. и Суо З. Устойчивые к дефектам гид-

рогели при статических и циклических нагрузках. Макромол. Rapid Commun. 40, 1800883 (2019).

19. Лин, С., Лю, Дж., Лю, X. и Чжао, X. Гидрогели, подобные мышцам,

устойчивые к усталости, полученные путем механической тренировки. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 10244–10249 (2019).

20.Иллеперума, В.Р.К., Сан, Дж. Й., Суо, З. и Влассак, Дж. Дж. Прочные гидрогели, армированные волокном. Extreme Mech. Lett. 2014. Т. 1. С. 90–96.

21.Lin, S. et al. Создание жестких, прочных и эластичных гидрогелевых композитов с помощью гибридной сшивки в наномасштабе и армирования во-

локон на макроуровне Soft Matter 10, 7519–7527 (2014).

22. Кинг, Д.Р., Окумура, Т., Такахаши, Р., Курокава, Т., Гонг, Дж. П.

Двойные макромасштабные сети: критерии проектирования для оптимизации прочности и ударной вязкости. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 11, 35343–35353 (2019).

23. Фан, Х. и Гонг, Дж. П. Изготовление биоинспирированных гидроге-

лей: проблемы и возможности. Macromolecules 53, 2769–2782 (2020).

24.Чжао, X. Многоуровневая многомеханическая конструкция жестких гидрогелей: создание диссипации в эластичных сетях. Мягкое вещество 10, 672–687 (2014).

25.Wang, Z. et al. Эластичные материалы с высокой прочностью и низким гистерезисом. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 5967–5972 (2019).

26.Ивасея, М., Ватанабе, М., Ямаура, К., Дай, Л. X. и Ногучи, Х. Высоко-

эффективные пленки, полученные из систем PVA / Na2SO4 / H2O и PVA /

CH3COONa / H2O. J. Mater. Sci. 40, 5695–5698 (2005).

117

27.Чжан Ю. и Кремер П. С. Взаимодействие между макромолекулами и ионами: ряд Хофмайстера. Curr. Opin. Chem. Биол. 10, 658–663 (2006).

28.Ван де Витте, П., Дейкстра, П. Дж., Ван Ден Берг, Дж. У. А. и Фейен,

Дж. Процессы разделения фаз в растворах полимеров в связи с образованием мембран. J. Membr. Sci. 117, 1–31 (1996).

29. Лейк, Дж. Дж. И Томас, А. Г. Прочность высокоэластичных материа-

лов. Proc. R. Soc. А 300, 108–119 (1967).

30. Кинлох, А. Дж. И Янг, Р. Дж. (Ред.) Поведение полимеров при разру-

шении (Springer Science & Business Media, 1984).

31. Джонстон, И. Д., Маккласки, Д. К., Тан, К. К. Л. и Трейси, М. С. Ме-

ханическая характеристика объемного Sylgard 184 для микрофлюидики и мик-

ротехники. J. Micromech. Microeng. 24, 035017 (2014).

32.Вуд, Л. А. Одноосное растяжение и сжатие в зависимости напряжения от деформации резины. Rubber Chem. Technol. 51, 840–851 (1978).

33.Ebrahimi, D. et al. Шелк - его загадки, как его делают и как использу-

ют. ACS Biomater. Sci. Англ. 1. С. 864–876 (2015).

References

1.Maganaris, C. N. & Paul, J. P. In vivo human tendon mechanical properties. J. Physiol. (Lond.) 521, 307–313 (1999).

2.Gu, L., Jiang, Y. & Hu, J. Scalable spider-silk-like supertough fibers using a pseudoprotein polymer. Adv. Mater. 31, 1904311 (2019).

3.Hong, S. et al. 3D printing of highly stretchable and tough hydrogels into complex, cellularized structures. Adv. Mater. 27, 4034–4040 (2015).

4.Xiang, C. et al. Stretchable and fatigue-resistant materials. Mater. Today 34, 7–16 (2020).

5.Huang, Y. et al. Energy-dissipative matrices enable synergistic toughening in fiber reinforced soft composites. Adv. Funct. Mater. 27, 1605350 (2017).

118

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

6. Zhang, H. et al. Aligned twoand three-dimensional structures by direction-

al freezing of polymers and nanoparticles. Nat. Mater. 4, 787–793 (2005).

7.Zhang, H. Ice Templating and Freeze-Drying for Porous Materials and their Applications (Wiley-VCH, 2018).

8.Qin, H., Zhang, T., Li, N., Cong, H. P. & Yu, S. H. Anisotropic and selfhealing hydrogels with multi-responsive actuating capability. Nat. Commun. 10, 2202 (2019).

9.Mredha, M. T. I. et al. Anisotropic tough multilayer hydrogels with programmable orientation. Mater. Horiz. 6, 1504–1511 (2019).

10.Mredha, M. T. I. et al. A facile method to fabricate anisotropic hydrogels with perfectly aligned hierarchical fibrous structures. Adv. Mater. 30, 1704937 (2018).

11.Wegst, U. G. K., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P. & Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14, 23–36 (2015).

12.Sun, J.-Y. et al. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature 489, 133– 136 (2012).

13.Gong, J. P., Katsuyama, Y., Kurokawa, T. & Osada, Y. Double-network hydrogels with extremely high mechanical strength. Adv. Mater. 15, 1155–1158 (2003).

14.Hu, X., Vatankhah-Varnoosfaderani, M., Zhou, J., Li, Q. & Sheiko, S. S. Weak hydrogen bonding enables hard, strong, tough, and elastic hydrogels. Adv. Mater. 27, 6899–6905 (2015).

15.Lin, P., Ma, S., Wang, X. & Zhou, F. Molecularly engineered dualcrosslinked hydrogel with ultrahigh mechanical strength, toughness, and good selfrecovery. Adv. Mater. 27, 2054–2059 (2015).

16.He, Q., Huang, Y. & Wang, S. Hofmeister effect-assisted one step fabrication of ductile and strong gelatin hydrogels. Adv. Funct. Mater. 28, 1705069 (2018).

17.Lin, S. et al. Anti-fatigue-fracture hydrogels. Sci. Adv. 5, eaau8528 (2019).

18.Bai, R., Yang, J., Morelle, X. P. & Suo, Z. Flaw-insensitive hydrogels under static and cyclic loads. Macromol. Rapid Commun. 40, 1800883 (2019).

119