《European Polymer Journal》：Wulff-type boronic acid–grafted silica reinforces alginate hydrogels via energy-dissipating interfaces
编辑推荐：
动态共价化学通过表面引发 RAFT 共聚将 Wulff 型硼酸甲丙烯酯链接枝到 SiO2 纳米颗粒，嵌入苯硼酸修饰的 alginate 水凝胶中，pH 升至 7.4–8.0 形成稳定硼酸酯交联，使纳米复合水凝胶储能模量提升一个数量级（0.1–0.50 wt%无机含量），同时保持应变硬化特性、优异循环恢复性（五次大应变循环后完全恢复）和生物相容性（注射力 1–3 N，溶血率 <1.3%）。
José A. Ulloa|Bruno Boury|Joao Aguilar|Susana A. Sánchez|Belen Ponce|Alvaro Díaz Barrera|Bruno F. Urbano
智利康塞普西翁大学化学科学学院聚合物系，地址：Edmundo Larenas 129，康塞普西翁
摘要
在聚合物-纳米粒子界面上的动态共价化学使得能够设计出同时具有高模量和适应性的软材料。在本研究中，我们使用表面引发的RAFT聚合技术将Wulff型硼酸甲基丙烯酸酯链接枝到SiO2纳米粒子上，并将这些填料嵌入经过苯基硼酸改性的海藻酸盐中。将pH值提高到7.4–8.0有助于在纳米粒子“刷状结构”与海藻酸盐二醇之间形成稳定的硼酸酯，从而制备出无机含量为0.1–0.50 wt%的纳米复合水凝胶。流变学测试表明，与对照组相比，纳米粒子使水凝胶的储能模量提高了一个数量级。频率扫描显示水凝胶具有pH响应性的硬度变化，循环测试表明经过五次大振幅循环后仍能完全恢复。值得注意的是，这些纳米复合水凝胶表现出应变硬化现象。通过硬度指数和临界应力分析发现，尽管纳米粒子增强了水凝胶的整体强度，但对微观或协同机械响应影响甚微。所有配方都通过了21-G针头注射测试，所需注射力在临床可接受范围内（1–3 N），并且溶血程度低于1.3%，表明具有良好的血液相容性。这些发现表明，动态硼酸酯键提供了能量耗散机制，从而在不依赖永久性交联剂的情况下增强了海藻酸盐水凝胶的强度。
引言
纳米复合水凝胶（NCgels）的发展标志着功能性聚合物材料设计领域的重大进展[1]、[2]、[3]。通过将纳米粒子掺入水凝胶基质中，研究人员旨在提高其机械性能并引入新的功能[4]。机械增强效应源于刚性纳米粒子向柔性聚合物网络的应力传递，从而增强了整体结构。此外，由于纳米复合水凝胶兼具机械强度和适应性，其在组织工程[5]、[6]、[7]、[8]、可控药物释放[9]、[10]以及生物医学传感器[11]等应用中具有巨大潜力。
这一领域面临的一个重大挑战是两种组分之间的机械差异：聚合物基质的模量通常在千帕范围内，而纳米粒子的模量则在吉帕范围内[12]。这种显著差异会导致聚合物-纳米粒子界面处的应力集中，可能引发界面失效、空洞形成和材料降解。解决这一挑战对于提高纳米复合水凝胶的机械强度和耐久性至关重要。动态共价键（DCBs）作为一种有前景的策略，能够为聚合物-纳米粒子界面提供机械适应性和结构稳定性[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。这些可逆键在机械应力作用下能够耗散能量，降低应力集中并保持界面完整性。这种界面DCB网络有助于能量耗散，提高材料的塑性，使其更加坚韧且具有部分自修复能力。Chen等人[18]证明，在树脂-二氧化硅纳米粒子界面引入动态共价键（特别是硫醇-硫酯交换）可以实现机械载荷下的局部应力松弛。基于硼酸/硼酸酯的DCBs因其pH敏感性和动态特性而受到关注[19]。除了改善界面性能外，DCBs还可用于自修复和可重构材料的设计，在前沿应用中具有显著优势[20]、[21]、[22]。
在之前的研究中，我们报道了通过有机硅烷化学方法将硼酸基团直接接枝到纳米粒子表面的海藻酸盐-二氧化硅纳米复合水凝胶[23]。虽然这种方法证明了动态硼酸酯交联的可行性，但由于表面接枝密度的限制，可利用的硼酸位点数量有限。硼酸酯的pH敏感性对于创建一个动态且稳定的界面至关重要，这种界面可以降低应力集中，从而改善水凝胶的粘弹性能和抗变形能力[24]。此外，Wulff型硼酸衍生物因其生物相容性和在生理系统中的优异性能而备受重视，使其成为生物医学应用的理想候选材料[25]。Wulff型硼酸的硼酸部分旁边有一个氨基，这有助于在生理条件下形成动态共价键。分子内部的硼原子（具有空轨道，表现为路易斯酸）与氮原子（富含电子，表现为路易斯碱）之间的相互作用降低了硼酸的pKa值，从而在接近中性和碱性环境中稳定硼酸酯，这对于保持材料在生物系统中的稳定性至关重要[26]。此外，Wulff型硼酸可以与1,2-二醇和1,3-二醇形成可逆键，实现动态共价化学反应，允许控制键的形成和解离，这在药物输送[27]和组织工程[28]等应用中非常有用，并有助于设计在温和、生物学相关条件下具有机械适应性和生物相容性的动态共价水凝胶[26]。在本研究中，我们利用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合技术将Wulff型硼酸基单体接枝到SiO2纳米粒子上。将这些功能化的纳米粒子嵌入硼酸改性的海藻酸盐水凝胶中，以评估其对机械性能和界面动态的影响。与之前的系统不同，本研究采用“从表面接枝”的策略，在每个纳米粒子上生成含有多个Wulff型硼酸单元的聚合物“刷状结构”，将二氧化硅表面转变为一个多价、动态的交联平台，而不仅仅是稀疏功能化的填料。
本研究旨在深入探讨动态共价化学在调节聚合物-纳米粒子界面中的作用，为开发既机械耐用又能响应环境变化的纳米复合水凝胶提供宝贵见解。这项研究加深了我们对如何利用这些相互作用来创造功能性、可持续性和可生物降解材料的理解，为纳米技术及其他新兴领域开辟了新的可能性。
试剂和材料
2-甲酰基苯基硼酸（FBA，95%）购自美国加利福尼亚州联合城的AK Scientific公司。2-氨基乙基甲基丙烯酸盐酸盐（AEMA，90%）和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl，99%）购自美国阿灵顿的AmBeed公司。用于分析的甲醇、无水硫酸钠、硼氢化钠、碳酸氢钠、3-巯基丙酸（>98%）、氢氧化钾（>85%）、氯仿、己烷（>95%）、乙酸乙酯（>95%）以及二氧化硅纳米粉末
结果与讨论
为了研究界面DCB网络及其对纳米复合水凝胶机械性能的影响，我们首先制备了表面功能化的SiO2-poly(MAEBA)纳米粒子，以及经过硼酸改性的海藻酸盐AlgBA。
结论
本研究表明，通过动态共价硼酸酯键工程化聚合物-纳米粒子界面是增强海藻酸盐水凝胶强度的同时保持其适应性的有效方法。Wulff型硼酸单体通过RAFT聚合技术从SiO2纳米粒子表面接枝，能够与硼酸改性的海藻酸盐形成可逆连接。所得纳米复合水凝胶在生理pH值下发生凝胶化，表现出较高的储能模量
作者贡献声明
José A. Ulloa： 撰写、审稿与编辑、方法学、数据分析、概念化。Bruno Boury： 方法学、实验研究、数据分析、概念化。Joao Aguilar： 方法学、实验研究、数据分析、概念化。Susana A. Sánchez： 撰写、审稿与编辑、方法学、实验研究、数据分析、概念化。Belen Ponce： 方法学、实验研究。Alvaro Díaz Barrera： 方法学、实验研究。Bruno F. Urbano： 撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
Bruno F. Urbano感谢Fondecyt项目（编号1211450和1252146）的支持。Joao Aguilar感谢ANID项目（编号21240278）的资助。
