High-Strength, Tough, and Self-Healing Nanocomposite Physical Hydrogels Based on the Synergistic Effects of Dynamic Hydrogen Bond and Dual Coordination Bonds

氢键 材料科学 自愈水凝胶 超分子化学 纳米复合材料 自愈 韧性 非共价相互作用 超分子聚合物 纳米技术 化学工程 复合材料 高分子化学 分子 有机化学 化学 工程类 病理 医学 替代医学
作者
Changyou Shao,Huanliang Chang,Meng Wang,Feng Xu,Jun Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (34): 28305-28318 被引量:414
标识
DOI:10.1021/acsami.7b09614
摘要

Dynamic noncovalent interactions with reversible nature are critical for the integral synthesis of self-healing biological materials. In this work, we developed a simple one-pot strategy to prepare a fully physically cross-linked nanocomposite hydrogel through the formation of the hydrogen bonds and dual metal-carboxylate coordination bonds within supramolecular networks, in which iron ions (Fe3+) and TEMPO oxidized cellulose nanofibrils (CNFs) acted as cross-linkers and led to the improved mechanical strength, toughness, time-dependent self-recovery capability and self-healing property. The spectroscopic analysis and rheological measurements corroborated the existence of hydrogen bonds and dual coordination bonds. The mechanical tests and microscopic morphology were explored to elucidate the recovery properties and toughening mechanisms. The hydrogen bonds tend to preferentially break prior to the coordination bonds associated complexes that act as skeleton to maintain primary structure integrity, and the survived coordination bonds with dynamic feature also serve as sacrificial bonds to dissipate another amount of energy after the rupture of hydrogen bonds, which collectively maximize the contribution of sacrificial bonds to energy dissipation while affording elasticity. Additionally, the multiple noncovalent interactions in diverse types synergistically serve as dynamic but highly stable associations, leading to the effective self-healing efficiency over 90% after damage. We expect that this facile strategy of incorporating the biocompatible and biodegradable CNFs as building blocks may enrich the avenue in exploration of dynamic and tunable cellulosic hydrogels to expand their potential applications in the biomedical field.
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