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高分子水凝胶由于其优异的生物相容性和类似生物组织的弹性,能够用作生物材料。然而,传统化学交联的水凝胶没有生物组织的弹性和韧性,通常表现出脆性和较差机械性能,使其应用受到限制。近年来已经发展的几种新型的高分子水凝胶虽有优异的力学性能,但不具备类似生物组织的自愈合特性。因此,设计和制备兼具高力学性能和自愈合性能的水凝胶具有重要的理论研究意义和广阔的应用前景。我们在系统地归纳和分析了有关高强度的高分子水凝胶和具有自愈合功能的高分子水凝胶的文献的基础上,提出利用生命体中普遍存在的可逆非共价相互作用,构建具有优异的物理机械性能和自愈合特性的新型自愈合高分子水凝胶的研究课题。利用有机合成方法、大分子结构与性能的设计原理以及高分子水凝胶的制备方法,设计与合成了含有可形成AADD-DDAA型四重氢键的2-脲-4[1H]-嘧啶酮(UPy)的结构单元的单体、磺酸甜菜碱型两性离子单体以及一些具有特定功能的大分子单体和预聚体;制备了三种聚氨酯(PU)水凝胶、一种以亲水性PU大分子单体的自组装体和丙烯酸十八烷基酯(C18)的胶束为交联剂的化学-物理双网络高分子水凝胶和两种以无机纳米粒子为交联点的磺酸甜菜碱型两性离子聚合物基的纳米复合水凝胶,表征了它们的结构、物理机械性能和自愈合行为,研究了高分子的组成、结构以及不同的非共价相互作用对高分子水凝胶的三维结构网络、自愈合行为和物理机械性能的影响,分析了这些水凝胶中各不相同的自愈合机制及其对水凝胶的力学性能和自愈合性能的贡献。所设计和制备的新型自愈合高分子水凝胶结构新颖,性能优异,制备方法有一定的特色,目前还未见报道。主要的研究内容和结论如下:1.采用聚乙二醇(PEG)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和2-氨基-4-羰基-6-甲基嘧啶(MIC)或2-氨基-4-羰基-5-(2-羟乙基)-6-甲基嘧啶(HMIC)分别制备出了UPy-PU-UPy型和PU-UPy-PU型的基于多重氢键相互作用的超分子聚氨酯水凝胶。所制备的超分子聚氨酯水凝胶在没有任何刺激的室温条件下,1 h内即可完成自愈合;此外,它们还具有优异的强度和韧性。UPy-PU-UPy型和PU-UPy-PU型超分子水凝胶的拉伸强度分别为71 kPa和133 kPa,断裂伸长率分别为1367%和1527%。2.采用亲水性聚氨酯大分子单体(PU-PEGMA)和含UPy单元甲基丙烯酸功能性单体(SCMHBMA)通过UV引发聚合的方法制备出了一系列侧链含UPy结构单元的新型聚氨酯水凝胶。这类水凝胶具有基于可逆多重氢键相互作用的快速、优异的自愈合性能。在没有任何刺激的室温条件下,经切断再拼接的水凝胶在愈合10 min后,拉伸强度达107.5~331.0 kPa,即与原水凝胶相比,愈合率为80.2~86.6%;在5 min内,愈合率可超过60%。当SCMHBMA含量从3.0%增加到10.0%时,这一水凝胶的拉伸强度从134.0kPa增加到382.0 kPa,断裂伸长率均大于1800%;压缩强度则从3.1 MPa增加到4.5 MPa,并且在压缩形变超过90%时未出现破裂。3.通过UV引发以亲水性聚氨酯大分子单体(PU-HEMA)在水中自组装而成的纳米粒子为功能性化学交联剂,以SDS-C18胶束为物理交联剂,丙烯酰胺为单体的反应体系的自由基共聚合,制备了一系列化学-物理双网络(CPDN)结构的自愈合高分子水凝胶。这一CPDN水凝胶表现出优异的自愈合特性,30分钟内即可完成自愈合;而PU-HEMA纳米粒子的加入则是使水凝胶获得优异的力学性能的主要因素。随着PU-HEMA用量的增加,CPDN水凝胶的拉伸强度从25.0 kPa增加到156.0 kPa,而断裂伸长率从3100%减小到1400%;此外,CPDN水凝胶在循环拉伸和循环压缩测试得到的应力-应变曲线的重合度高,其拉伸强度和压缩强度均能可迅速恢复到原来的水平,表现出优异的回弹性。4.以粘土纳米粒子为物理交联剂,甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和磺酸甜菜碱型两性离子单体3-((3-甲基丙烯酰丙基)二甲胺基)丙基-1-磺酸内盐(DMAPMAPS)为共聚单体,经UV引发聚合制备了一系列聚(DMAPMAPS-co-HEMA)纳米复合水凝胶。所制备纳米复合水凝胶的拉伸强度在67~168 kPa之间,断裂伸长率在600~2300%之间;其自愈合率在愈合10 h时可达到85~98%,体现出显著的自愈合特性;其平衡水含量EWC随粘土含量增加而下降,随两性离子含量的增加而增加。5.以粘土纳米粒子为物理交联,N,N-二甲基烯丙基胺(DMAA)和磺酸甜菜碱型两性离子3-((3-丙烯酰丙基)二甲胺基)丙基-1-磺酸内盐(DMAPAAPS)单体为共聚单体,经热引发自由基聚合制备了一系列聚(DMAPAAPS-co-DMAA)纳米复合水凝胶。这一纳米复合水凝胶也具有自愈合特性,经过10 h的愈合后,拉伸强度恢复率可达75~91%;随着粘土含量的增加,其拉伸强度增加,而断裂伸长率降低;随着DMAPMAPS含量的增加,其拉伸强度下降,而断裂伸长率则在1900~2300%之间变化。此外,这一纳米复合水凝胶具有温度响应性,在室温下呈无色透明状,而在温度低于其UCST温度时,则呈乳白色不透明状态。