协同氢键作用构筑具有极优异力学性能的水凝胶材料

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21875023
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0506.智能与仿生材料化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Hydrogels are typical wet and soft materials, but the mechanical properties of normal synthetic gels are extremely poor. Since the beginning of this century, many kinds of hydrogels with high mechanical strength have been developed, but their mechanical properties are far inferior to those of the tendons and ligaments, which are mainly cross-linked by physical interactions. Based on the understanding of the new definition of hydrogen bonding and the nature of hydrogen bonding, especially cooperative hydrogen bonding and its formation criteria, we propose to carry out a series of work on the development of hydrogels with extraordinary mechanical properties based on cooperative hydrogen bonding interactions. By selecting appropriate polymers and small molecules as hydrogen bond donors and acceptors, and developing novel methods, including self-assembly, mixing-drying-swelling, cold drawing and in situ reaction or polymerization under stretching, to enhance the cooperative hydrogen bonding in a gel network, a variety of hydrogels with high mechanical strengths can be prepared. Through the study of their structures and mechanical properties, it is expected to further improve the mechanical properties of the gels and obtain hydrogels with mechanical properties superior to those of biological tissues and even some dry and hard materials (e.g. plastics). In addition, tough and strong hydrogels with self-healing and shape memory behaviors can also be obtained by adjusting the composition of strong and weak hydrogen bonds in the gels. This study will help people to make better use of hydrogen bonding to prepare polymeric materials with excellent properties.
水凝胶是典型的湿、软材料,但普通合成凝胶的力学性能极差。自本世纪初,很多种具有高机械强度水凝胶已被开发出来,但其力学性能在很多方面远不如主要由物理作用交联的肌腱、韧带等生物组织。基于对氢键新定义和对氢键性质尤其是协同氢键作用及其形成条件的理解和认识,我们拟开展一系列基于协同氢键作用构筑具有极为优异机械性能水凝胶方面的工作。选取适当的高分子和小分子化合物作为氢键供体和受体,并采用自组装、混合-干燥-溶胀、冷拉和在保持凝胶拉伸状态下原位反应或聚合等创新方法来增强凝胶网络中的协同氢键作用,制备出多种高机械强度水凝胶。通过对凝胶结构和性能的深入研究,有望进一步改善凝胶性能并得到力学性能超过生物组织甚至一些干、硬材料(如塑料)的水凝胶材料。另外,通过调控凝胶中强、弱氢键的构成,还可以得到具有自愈性和形状记忆性的高机械强度水凝胶。本研究将有助于人们更好地利用氢键制备具有优异性能的高分子材料。

结项摘要

水凝胶是典型的湿、软材料。自本世纪初,很多种具有高机械强度水凝胶已被开发出来,但其力学性能在很多方面远不如主要由物理作用交联的肌腱、韧带等生物组织。基于对氢键新定义和对氢键性质尤其是协同氢键作用及其形成条件的理解和认识,我们开展了一系列基于协同氢键作用构筑具有极为优异机械性能水凝胶方面的工作。开发了多种基于氢键交联作用的高强度水凝胶的制备方法,包括冷拉法、拉伸冷冻解冻法以及定向冷冻解冻-拉伸冷冻解冻法制备具有各向异性结构和优异力学性能的水凝胶;固相酯化法和混合-干燥-溶胀法等增强氢键作用或同时引入化学交联提高凝胶的力学性能;盐析法、盐析和拉伸结合法促进氢键作用制备高强度水凝胶;氢键和金属离子配位共同构筑高强度凝胶等方法。冷拉法制备的聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶的拉伸强度和弹性模量分别达到140 MPa和100 MPa,韧性和断裂能分别达到117 MJ m-3和101 kJ m-2,远超已报道的高强度水凝胶、生物组织甚至工程塑料。制备了具有优良抗菌性的各向异性聚乙烯醇-单宁酸水凝胶和具有金属离子响应性和激发波长依赖性的非传统多色荧光水凝胶用于信息加密,开发了基于静电作用和氢键的水凝胶高强粘合方法,开发了划痕法及光刻图案法改变凝胶表面积以驱动水凝胶发生可控复杂变形。对所得的各种水凝胶的结构和性能关系进行了深入的探讨,同时对各种凝胶体系中的氢键作用及其影响因素进行了研究。这些工作证明拉伸、冷冻解冻、干燥和盐析处理等方法都有利于氢键甚至协同氢键的形成,其原因是在外力驱动下,聚合物之间或聚合物-小分子化合物之间距离减小并更有利于采取适当的构象形成强的氢键作用甚至驱动化学反应的发生。本项目的研究结果将有助于人们更好地理解氢键作用并利用氢键制备具有优异性能的高分子材料,满足各种领域应用的需求。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(0)
Shape deformable hydrogels prepared by altering surface areas with scratching and photolithography patterning methods
通过刮擦和光刻图案化方法改变表面积制备形状可变形水凝胶
  • DOI:
    10.1039/d2ma01052f
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
    Materials Advances
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Yuanyuan Chen;Yunqi Shi;Min Liang;Huiliang Wang
  • 通讯作者:
    Huiliang Wang
Metal Cation-Responsive and Excitation-Dependent Nontraditional Multicolor Fluorescent Hydrogels for Multidimensional Information Encryption
用于多维信息加密的金属阳离子响应性和激发依赖性非传统多色荧光水凝胶
  • DOI:
    10.1021/acsami.1c12604
  • 发表时间:
    2021-08-10
  • 期刊:
    ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Deng, Junwen;Wu, Hangrui;Wang, Huiliang
  • 通讯作者:
    Wang, Huiliang
各向异性高机械强度聚乙烯醇-单宁酸水凝胶
  • DOI:
    10.12202/j.0476-0301.2022140
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    北京师范大学学报. 自然科学版
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈媛媛;汪辉亮
  • 通讯作者:
    汪辉亮
Nontraditional Organic/Polymeric Luminogens with Red-Shifted Fluorescence Emissions
具有红移荧光发射的非传统有机/聚合物发光剂
  • DOI:
    10.1002/macp.202100425
  • 发表时间:
    2022-01-27
  • 期刊:
    MACROMOLECULAR CHEMISTRY AND PHYSICS
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Deng, Junwen;Jia, Haoyuan;Wang, Huiliang
  • 通讯作者:
    Wang, Huiliang
Dramatically enhancing mechanical properties of hydrogels by drying reactive polymers at elevated temperatures to introduce strong physical and chemical crosslinks
通过在高温下干燥反应性聚合物以引入强物理和化学交联,显着增强水凝胶的机械性能
  • DOI:
    10.1016/j.polymer.2022.124842
  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
    Polymer
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Yuqing Wu;Tianqi Liu;Yunqi Shi;Huiliang Wang
  • 通讯作者:
    Huiliang Wang

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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    王雪珍;汪辉亮
  • 通讯作者:
    汪辉亮
基于协同氢键作用的高强度聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    北京师范大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
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  • 作者:
    白晴文;汪辉亮
  • 通讯作者:
    汪辉亮

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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