DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59875-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40404655
تاريخ النشر: 2025-05-22
المؤلف: Xianyang Bao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
مقدمة
في هذا القسم، يصف المؤلفون عملية تحضير الهيدروجيلات التي يتم ربطها من خلال الروابط الفيزيائية. تبدأ العملية بحل المحفز الضوئي إيرغاكيور 2959 في محلول المونومر، وهو حمض الأكريليك أو حمض الميثاكريليك، لإنشاء خليط متجانس. يتم بعد ذلك دمج هذا المحلول مع مسحوق بولي إيثيلين جلايكول (PEG) بنسبة مولارية محسوبة لضمان التكافؤ بين وحدات المونومر ووحدات PEG. الخليط الأولي غير متجانس ويتم بعد ذلك تجانسه من خلال عملية العجن، والتي تتضمن عدة دورات من الضغط الساخن والطوي لتحقيق مادة متسقة تشبه العجين.
بعد العجن، تخضع العجينة لعملية تلدين عند درجة حرارة مرتفعة لتعزيز التجانس والسماح بتشابك سلاسل البوليمر. يتضمن ذلك ضغط العجينة بين ألواح زجاجية والحفاظ عليها عند 65 درجة مئوية لمدة أربع ساعات. بعد التبريد، يتم تعريض العينة للأشعة فوق البنفسجية لمدة ثلاث ساعات لبدء بلمرة المونومرات. أخيرًا، يتم غمر خليط البوليمر-بوليمر الناتج في الماء لمدة يومين على الأقل لتحقيق انتفاخ كامل، مما يؤدي إلى تشكيل هيدروجيل. تبرز هذه الطريقة الخطوات المعقدة المتضمنة في إنشاء الهيدروجيلات ذات الخصائص الفيزيائية المحددة من خلال تقنيات المعالجة المتحكم فيها.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص الأنظمة البوليمرية. تم استخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG) بأوزان جزيئية تبلغ 400,000 جرام/مول و8,000,000 جرام/مول كهيكل بوليمري أساسي. بالإضافة إلى ذلك، تم دمج حمض الأكريليك (AAc) وحمض الميثاكريليك (MAAc) لتعزيز وظيفة البوليمر. تم استخدام المحفز الضوئي إيرغاكيور 2959 لتسهيل البلمرة، بينما تم تضمين N,N′-ميثيلين ثنائي (أكريلاميد) (MBA) كعامل ربط. تم استخدام مذيبات أخرى مثل الإيثانول والكحول الأيزوبروبيلي (IPA) أيضًا في عملية التحضير. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من سيغما-ألدريتش واستخدامها دون مزيد من التنقية، مع الحصول على الماء المقطر من بولندا سبرينغ.
نتائج
في هذه الدراسة، نجح المؤلفون في تصنيع هيدروجيل باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG) وبولي (حمض الأكريليك) (PAAc) من خلال عملية متعددة الخطوات تتضمن الخلط، والعجن، والتلدين، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية للبلمرة. يعرض هيدروجيل PEG-PAAc الناتج خصائص فريدة مثل الشفافية، والمرونة، والقدرة على التمدد، والتي تعزى إلى تكوين الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء بين نوعي البوليمر. يحتفظ الهيدروجيل بشكله عند الانتفاخ في الماء ويمكن تشكيله في هندسات معقدة متنوعة، مما يظهر مرونته للتطبيقات المحتملة.
كشفت خصائص الهيدروجيلات عن اختلافات كبيرة في الخصائص الميكانيكية بين هيدروجيل PEG-PAAc وهيدروجيل PEG التحكم. عرض هيدروجيل PEG-PAAc معامل مرونة مرتفع (~510 كيلو باسكال)، وقوة (~4200 جول م²)، وحدود التعب (184 جول م²)، مما يدل على قوة ومقاومة تآكل متفوقة مقارنة بهيدروجيل PEG، الذي كان له معامل مرونة يبلغ ~55 كيلو باسكال وقوة تبلغ ~1600 جول م². كما أشار المؤلفون إلى أن وجود سلاسل بوليمر طويلة في هيدروجيل PEG-PAAc يعزز أدائه الميكانيكي، حيث تساهم السلاسل الأطول في زيادة التشابك والربط داخل المادة. تشير هذه النتائج إلى أن تصميم طول البوليمر والتفاعلات أمر حاسم لتحسين خصائص الهيدروجيل لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك الغضاريف الاصطناعية وطلاءات الهيدروجيل.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التقدم في الشبكات البوليمرية التي تستخدم المجالات المجمعة ذاتيًا، والتي تظهر تقليديًا معامل مرونة عالٍ وقوة ولكن تعاني من تآكل كبير بسبب سحب السلاسل القصيرة. يهدف التصميم المقترح إلى تحقيق معامل مرونة عالٍ، وقوة، وحدود تعب في نفس الوقت مع تقليل التآكل من خلال دمج روابط ميكانيكية متوسطة القوة. تحافظ هذه الروابط على سلامتها تحت الشد المعتدل، مما يسمح بمعامل مرونة عالٍ وتآكل منخفض، بينما تنكسر قبل سلاسل البوليمر لتعزيز مقاومة التعب. ومع ذلك، فإن هذا يؤدي إلى تلف دائم حيث لا تتشكل الروابط المكسورة مرة أخرى.
تؤكد الدراسة على أهمية استخدام سلاسل بوليمر طويلة في هيدروجيل PEG-PAAc، والتي تتجاوز بشكل كبير الأوزان الجزيئية النموذجية (مثل سلاسل PEG عند ~8 × 10^6 جرام مول^-1) لمنع الانتفاخ المفرط وضمان الدمج الفعال في مجالات الروابط الفيزيائية المتعددة. يسمح هذا التصميم بانزلاق السلاسل دون سحب، مما يؤدي إلى حد تعب مرتفع. يمكّن الجمع بين مجالات الروابط الفيزيائية القوية والسلاسل التساهمية الطويلة المادة من نقل التوتر العالي بفعالية، وبالتالي تحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة. تشير النتائج إلى أن هذا النهج المبتكر يمكن أن يعزز استدامة المواد البوليمرية المستخدمة على نطاق واسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59875-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40404655
Publication Date: 2025-05-22
Author(s): Xianyang Bao et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Introduction
In this section, the authors describe the preparation process of hydrogels that are crosslinked through physical bonds. The procedure begins with the dissolution of the UV initiator Irgacure 2959 in a monomer solution, specifically acrylic or methacrylic acid, to create a homogeneous mixture. This solution is then combined with powdered polyethylene glycol (PEG) in a calculated molar ratio to ensure equivalence between the monomer and PEG repeat units. The initial mixture is heterogeneous and is subsequently homogenized through a kneading process, which involves multiple cycles of hot-pressing and folding to achieve a consistent dough-like material.
Following the kneading, the dough undergoes an annealing process at an elevated temperature to further enhance homogeneity and allow polymer chain entanglement. This involves pressing the dough between glass plates and maintaining it at 65 °C for four hours. After cooling, the sample is exposed to ultraviolet light for three hours to initiate polymerization of the monomers. Finally, the resulting polymer-polymer mixture is submerged in water for at least two days to achieve full swelling, resulting in the formation of a hydrogel. This method highlights the intricate steps involved in creating hydrogels with specific physical properties through controlled processing techniques.
Methods
In this study, various materials were utilized to investigate the properties of polymeric systems. Poly(ethylene glycol) (PEG) with molecular weights of 400,000 g/mol and 8,000,000 g/mol served as the primary polymer backbone. Additionally, acrylic acid (AAc) and methacrylic acid (MAAc) were incorporated to enhance the polymer’s functionality. The photoinitiator Irgacure 2959 was employed to facilitate polymerization, while N,N′-Methylenebis(acrylamide) (MBA) was included as a crosslinking agent. Other solvents such as ethanol and isopropyl alcohol (IPA) were also used in the preparation process. All chemicals were sourced from Sigma-Aldrich and utilized without further purification, with distilled water obtained from Poland Spring.
Results
In this study, the authors successfully fabricated a hydrogel using poly(ethylene glycol) (PEG) and poly(acrylic acid) (PAAc) through a multi-step process involving mixing, kneading, annealing, and ultraviolet light exposure for polymerization. The resulting PEG-PAAc hydrogel exhibits unique properties such as transparency, elasticity, and stretchability, attributed to the formation of hydrogen bonds and hydrophobic interactions between the two polymer species. The hydrogel maintains its shape upon swelling in water and can be molded into various complex geometries, demonstrating its versatility for potential applications.
Characterization of the hydrogels revealed significant differences in mechanical properties between the PEG-PAAc hydrogel and a control PEG hydrogel. The PEG-PAAc hydrogel displayed a high modulus (~510 kPa), toughness (~4200 J m²), and fatigue threshold (184 J m²), indicating superior strength and wear resistance compared to the PEG hydrogel, which had a modulus of ~55 kPa and a toughness of ~1600 J m². The authors also noted that the presence of long polymer chains in the PEG-PAAc hydrogel enhances its mechanical performance, as longer chains contribute to greater entanglement and crosslinking within the material. These findings suggest that the design of polymer length and interactions is crucial for optimizing hydrogel properties for various applications, including artificial cartilage and hydrogel coatings.
Discussion
The discussion highlights advancements in polymer networks utilizing self-assembled domains, which traditionally exhibit high modulus and toughness but suffer from significant hysteresis due to short chain pullout. The proposed design aims to simultaneously achieve high modulus, toughness, and fatigue threshold while minimizing hysteresis by incorporating mechanophore crosslinks of intermediate strength. These crosslinks maintain integrity under moderate stretching, allowing for high modulus and low hysteresis, while breaking before the polymer chains to enhance fatigue resistance. However, this results in permanent damage as the broken crosslinks do not reform.
The study emphasizes the importance of using long polymer chains in the PEG-PAAc hydrogel, significantly exceeding typical molecular weights (e.g., PEG chains at ~8 × 10^6 g mol^-1) to prevent excessive swelling and ensure effective incorporation into multiple physical bond domains. This design allows for chain slippage without pullout, leading to a high fatigue threshold. The combination of strong physical bond domains and long covalent chains enables the material to transmit high tension effectively, thus achieving desired mechanical properties. The findings suggest that this innovative approach could enhance the sustainability of widely used polymer materials.