具有空前的抗裂性、极其强韧的可生物降解聚氨酯弹性体

近日，西安交通大学张彦峰团队设计了一种基于分层氢键相互作用的可生物降解聚氨酯弹性体。作者利用聚己内酯（PCL）、二异氰酸酯和 N，N-双（2-羟乙基）乙酰胺（BHO）作为原料，通过无溶剂聚合的方法快速制备了这种无色透明的弹性体，其中丰富的氢键相互作用阻碍了PCL段的结晶，促进了在弹性体内部形成均匀分布的硬相微域，奇迹般地实现了极高的强度和韧性以及前所未有的高断裂能，加之良好的生物相容性和降解性，可通过3D打印技术制成疝气补片应用于生物医学。此外，就机械性能而言，该弹性体在国防工业、柔性电子、缓冲吸能等方面同样具有很大的应用潜力。

图1 弹性体的化学结构。

图2 弹性体的拉伸性能。

在这项工作中，PCL-IPDI-BHO弹性体的断裂强度为92.2 MPa，同时保持了约1900%的断裂伸长率和480.2 MJ m-3的超高韧性，其真实应力高达1.9 GPa。同时，PCL-IPDI-HHP弹性体表现出良好的回弹性，这是因为其结构的刚度较低、链段的流动性较高，因而弹性范围相对较宽。此外，作者通过FT-IR光谱分析发现在拉伸过程中酰胺键和酯键重组了氢键且缔合氢键占比较高，这可能是弹性体中较大能量耗散的重要因素之一。

图3弹性体的断裂能和耐穿刺性。

PCL-IPDI-BHO弹性体表现出极高的裂纹容限，其断裂能达到了前所未有的322.2 kJ m-2，是目前已报道的弹性体材料中最高的记录。同时优异的耐穿刺性也可以使弹性体承受较大的负荷而不被破坏，这对其使用的安全性有重要意义。此外，该弹性体还兼具修复性能和重塑性能。带有切口的弹性体薄膜经过80℃加热24h后可实现完美修复，切碎的弹性体也可以通过热压重塑进行回收再加工。

图4 弹性体在疝气补片中的应用。

最后，作者通过3D打印将PCL-IPDI-BHO弹性体加工成疝气补片用于生物医用。该补片继承了弹性体优异的机械性能，且其优异的生物相容性和在一段时间内保持稳定后缓慢降解的特点与临床需求吻合，可作为理想的疝气补片材料用于体内生物应用。

以上相关工作以＂Extremely Strong and Tough Biodegradable Poly(urethane) Elastomers with Unprecedented Crack Tolerance via Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions＂为题在《Advanced Materials》上在线发表。文章第一作者为西安交通大学硕士生郭锐，通讯作者为西安交通大学张彦峰教授。该工作得到国家自然科学基金面上项目(NSFC 52173079)、国家重点研发计划(2019YFA0706801)、陕西省国际科技合作项目(2020KW-062)等项目的资助。作者感谢西安交通大学分析测试共享中心和郑州大学刘春太教授、邵春光教授在分析表征方面的支持，感谢西安交通大学王铁军教授在文章撰写方面的帮助，杨孟博士在3D打印方面的指导，以及陕西省人民医院段降龙教授的帮助。

该工作是张彦峰教授团队在弹性体材料方向的重要成果。张彦峰教授团队长期致力于动态高分子材料的设计、合成及应用。近年来，该团队致力于动态高分子材料的研究，在可重塑、强机械性能的聚硫氨酯共价可适网络的可重构4D打印（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203720.），催化聚乳酸热降解的动力学及其作为牺牲模板的应用（Chinese J. Chem, 2022, 40, 2801），本征光热效应触发聚肟氨酯共价可适网络的动态交换及性能（Chem. Eng. J. 2021,131212），可重塑聚硫氨酯胶粘剂（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 47975），可实现裂痕检测-自愈追踪的荧光弹性体（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 30847），动态共价键高分子材料的研究进展（高分子学报, 2019, 50, 469）等方面已经做了一系列的工作。该团队的研究工作将高分子材料与生物医学、国防军工、介电储能、缓冲吸能等多方结合，并积极推动相关成果的产业转化。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212130

文章摘自：https://mp.weixin.qq.com/s/UUOVwTo-eQXJh0H9WzZGCw