Selected Phase Separation Renders High Strength and Toughness to Polyacrylamide/Alginate Hydrogels with Large-Scale Cross-Linking Zones

自愈水凝胶 材料科学 韧性 聚丙烯酰胺 聚合物 离子键合 离子强度 化学工程 复合材料 相(物质) 高分子科学 水溶液 高分子化学 化学 有机化学 离子 工程类
作者
Chongzhi Xu,Xiansheng Zhang,Shuo Liu,Xianwei Zhao,Cunzhen Geng,Lili Wang,Yanzhi Xia
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (21): 25383-25391 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsami.1c04577
摘要

High water content usually contradicts the mechanics for hydrogels, and achieving both characteristics is extremely challenging. Herein, a novel confined-chain-aggregation (CCA) strategy is developed to fabricate ultrastrong and tough hydrogels without sacrificing their inherent water capacity. Based on the popular polyacrylamide/alginate (PAAm/Alg) system with a double network (DN), a poor solvent exchange is induced once PAAm is fully cross-linked but prior to ionic cross-linking of alginate. In this case, the alginate chains are restricted by the chemical PAAm network and undergo a confined-chain aggregation, which guarantees an interpenetrating network of both polymers and simultaneously generates micron-scale aggregates. In addition, after the subsequent water uptake, the accompanying formation of hydrogen bonds and metal–ligand coordination stabilizes the newly formed alginate aggregates, serving as large-scale cross-linking zones. However, the PAAm chains are anchored by the preformed cross-linking points and convert back to the uniformly distributed, high-water-content state, achieving a selected phase separation in a DN system. The combined CCA and hybrid cation cross-linking method gives mechanical strength and toughness to the PAAm/Alg hydrogels to reach approximately 30 and 5 times the traditional methods, respectively. This investigation provides a general strategy for the development of a new generation of double-network hydrogels, which will expand their application as structural materials for cartilage and soft robotics.

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