Dynamic bonds enable high toughness and multifunctionality in gelatin/tannic acid-based hydrogels with tunable mechanical properties

明胶 单宁酸 自愈水凝胶 凝聚 材料科学 生物相容性 韧性 氢键 生物高聚物 化学工程 复合材料 聚合物 高分子化学 化学 有机化学 分子 冶金 工程类
作者
Hui Jie Zhang,Xinyi Wang,Lini Wang,Tao Lin Sun,Xugang Dang,Daniel R. King,Xiangyu You
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (41): 9399-9409 被引量:27
标识
DOI:10.1039/d1sm01201k
摘要

Biopolymer-based functional hydrogels with excellent mechanical properties are desired, but their fabrication remains a challenge. Learning from the tofu-making process, we developed a freely formable hydrogel with high toughness and stiffness from the hydrogen bond-rich coacervation of tannic acid and gelatin through a simple hot-pressing process that transforms the coacervate particles into a bulk hydrogel. The mechanical properties of the obtained gelatin/tannic acid hydrogel (G/T gel) can be controlled by tuning the weight ratio of tannic acid to gelatin in the gel. The G/T gel with optimum mechanical properties possesses high Young's modulus, fracture strain, and fracture energy of ∼60 MPa, ∼10, and ∼24 kJ m-2, respectively. These properties arise from the phase-separated structure and high concentration of dynamic hydrogen bonds with widely distributed bond strengths. These dynamic hydrogen bonds also enable multifunctional properties of the gel, such as self-recovery, self-healing, rebuildability and shape memory. The combination of excellent mechanical properties, good biocompatibility, and useful functionalities into one hydrogel that comes from renewable sources demonstrates the great potential of G/T gels.
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