具有空前的抗裂性 、極其強韌的可生物降解聚氨酯彈性體

近日 ，西安交通大學張彥峰團隊設計了一種基於分層氫鍵相互作用的可生物降解聚氨酯彈性體 。作者利用聚己內酯（PCL） 、二異氰酸酯和 N ，N-雙（2-羥乙基）乙酰胺（BHO）作為原料 ，通過無溶劑聚合的方法快速製備了這種無色透明的彈性體 ，其中豐富的氫鍵相互作用阻礙了PCL段的結晶 ，促進了在彈性體內部形成均勻分布的硬相微域 ，奇跡般地實現了極高的強度和韌性以及前所未有的高斷裂能 ，加之良好的生物相容性和降解性 ，可通過3D打印技術製成疝氣補片應用於生物醫學 。此外 ，就機械性能而言 ，該彈性體在國防工業 、柔性電子 、緩衝吸能等方麵同樣具有很大的應用潛力 。

圖1 彈性體的化學結構 。

圖2 彈性體的拉伸性能 。

在這項工作中 ，PCL-IPDI-BHO彈性體的斷裂強度為92.2 MPa ，同時保持了約1900%的斷裂伸長率和480.2 MJ m-3的超高韌性 ，其真實應力高達1.9 GPa 。同時 ，PCL-IPDI-HHP彈性體表現出良好的回彈性 ，這是因為其結構的剛度較低 、鏈段的流動性較高 ，因而彈性範圍相對較寬 。此外 ，作者通過FT-IR光譜分析發現在拉伸過程中酰胺鍵和酯鍵重組了氫鍵且締合氫鍵占比較高 ，這可能是彈性體中較大能量耗散的重要因素之一 。

圖3彈性體的斷裂能和耐穿刺性 。

PCL-IPDI-BHO彈性體表現出極高的裂紋容限 ，其斷裂能達到了前所未有的322.2 kJ m-2 ，是目前已報道的彈性體材料中最高的記錄 。同時優異的耐穿刺性也可以使彈性體承受較大的負荷而不被破壞 ，這對其使用的安全性有重要意義 。此外 ，該彈性體還兼具修複性能和重塑性能 。帶有切口的彈性體薄膜經過80℃加熱24h後可實現完美修複 ，切碎的彈性體也可以通過熱壓重塑進行回收再加工 。

圖4 彈性體在疝氣補片中的應用 。

最後 ，作者通過3D打印將PCL-IPDI-BHO彈性體加工成疝氣補片用於生物醫用 。該補片繼承了彈性體優異的機械性能 ，且其優異的生物相容性和在一段時間內保持穩定後緩慢降解的特點與臨床需求吻合 ，可作為理想的疝氣補片材料用於體內生物應用 。

以上相關工作以＂Extremely Strong and Tough Biodegradable Poly(urethane) Elastomers with Unprecedented Crack Tolerance via Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions＂為題在《Advanced Materials》上在線發表 。文章第一作者為西安交通大學碩士生郭銳 ，通訊作者為西安交通大學張彥峰教授 。該工作得到國家自然科學基金麵上項目(NSFC 52173079) 、國家重點研發計劃(2019YFA0706801) 、陝西省國際科技合作項目(2020KW-062)等項目的資助 。作者感謝西安交通大學分析測試共享中心和鄭州大學劉春太教授 、邵春光教授在分析表征方麵的支持 ，感謝西安交通大學王鐵軍教授在文章撰寫方麵的幫助 ，楊孟博士在3D打印方麵的指導 ，以及陝西省人民醫院段降龍教授的幫助 。

該工作是張彥峰教授團隊在彈性體材料方向的重要成果 。張彥峰教授團隊長期致力於動態高分子材料的設計 、合成及應用 。近年來 ，該團隊致力於動態高分子材料的研究 ，在可重塑 、強機械性能的聚硫氨酯共價可適網絡的可重構4D打印（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203720.） ，催化聚乳酸熱降解的動力學及其作為犧牲模板的應用（Chinese J. Chem, 2022, 40, 2801） ，本征光熱效應觸發聚肟氨酯共價可適網絡的動態交換及性能（Chem. Eng. J. 2021,131212） ，可重塑聚硫氨酯膠粘劑（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 47975） ，可實現裂痕檢測-自愈追蹤的熒光彈性體（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 30847） ，動態共價鍵高分子材料的研究進展（高分子學報, 2019, 50, 469）等方麵已經做了一係列的工作 。該團隊的研究工作將高分子材料與生物醫學 、國防軍工 、介電儲能 、緩衝吸能等多方結合 ，並積極推動相關成果的產業轉化 。

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