CS：调节电荷互补多组分系统中的非共价相互作用来控制水凝胶特性

【摘要】

混合小分子凝胶剂是制备有用且令人兴奋的材料的有前途的途径，这些材料无法从任何单个组件中获得。最近，英国格拉斯哥大学Dave J. Adams教授团队通过混合两种非凝胶两亲物来描述 pH 触发的水凝胶化。分子间的分子间相互作用可以通过控制组分的电离程度或通过制备途径进行调节，这使能够控制材料特性，如凝胶强度、凝胶刚度、热稳定性和不寻常的收缩/膨胀行为。相关论文以题为Controlling hydrogel properties by tuning non-covalent interactions in a charge complementary multicomponent system发表在《Chemical Science》上。

【主图导读】

图 1. (a) 化合物 1 和 2 的化学结构。

图 2. 1 和 2 混合物在 0.005 M (a) 和 0.011 M (b) NaOH 存在下的时间可变发射光谱。

图 3 在 pH 6.3 (a) 和 pH 9.9 (b) 下获得的多组分凝胶 1 和 2 的共聚焦荧光显微镜图像（比例尺代表 20 μm）。(c) 显示 SAXS 数据并拟合 PAF 获得的系统。(d) 显示 SAXS 数据并拟合 pH 循环后获得的系统。对于 (c) 和 (d)，黑色数据表示 pH 9.9 的多组分凝胶，红色数据表示 pH 6.3 的多组分凝胶。

图 4 (a) 1 和 2 的多组分凝胶在 pH 6.3 (a) 和 pH 9.9 (b) 下分别加入 0.006 M NaOH 和 0.006 M HCl 时发射的时间变量变化。(c) 在 pH 9.9（顶部）和 pH 6.3（底部）下获得的 (1 + 2) 水凝胶的照片，包括组装后的 pH 变化。（d）卡通代表从1和2的混合物在不同pH下获得的凝胶体积的途径依赖性变化。(e) 不同方法制备的（1+2）水凝胶在不同 pH 值下的部分 FTIR 光谱。

图 5 (1 + 2) 水凝胶在 pH 6.3 (a) 和 pH 9.9 (b) 下直接（黑色）或通过 PAF 方法（红色）制备的应变扫描实验。(c 和 d) 照片显示了从直接制备的凝胶在 pH 6.3 (c) 和 9.9 (d) 开始的连续 pH 变化下凝胶体积的变化。(e) 和 (f) 是分别代表从 (c) 和 (d) 获得的各个凝胶的最终体积的条形图。

【总结】

该团队已经证明了 pH 触发的多组分水凝胶化，涉及两种具有相反可电离功能的非凝胶组分。使用碱对化合物进行顺序去质子化导致不同的共组装凝胶，其中静电相互作用或芳烃堆积占主导地位并稳定氢键网络。还可以通过改变制备途径来调整分子间相互作用。我们的系统遇到了一个动力学障碍，当凝胶状态之间的相互转化通过组装后 pH 值变化 (PAF) 进行时，会产生脱水收缩。脱水收缩的发生是由于分子堆积的重排，使分子能够有效堆积并建立更强的分子间相互作用。与直接制备的凝胶相比，收缩的凝胶表现出更高的刚性。有趣的是，由于纤维疏水性的改变，通过 PAF 获得的凝胶（即收缩凝胶）在连续 pH 变化时表现出可逆的溶胀/消溶胀行为。

电荷互补多组分凝胶的 pH 驱动收缩/膨胀很少见。通常，直接制备的凝胶表现出可逆的膨胀/收缩行为。团队设计的系统的一个潜在优势是直接制备的凝胶首先允许进入第二凝胶状态在 pH 变化时具有更高的刚性（图 4d）。这种改性凝胶然后在进一步改变 pH 值时表现出可逆的溶胀/消溶胀（图 4d）。因此，团队不仅能够通过改变 pH 值和制备途径来控制机械性能，还能够控制凝胶的空间编程（凝胶体积）。

参考文献：

doi.org/10.1039/D1SC02854E

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