Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 491, № 1, стр. 64-68

В настоящее время одним из перспективных полимерных материалов являются гидрогели, построенные на основе двойных полимерных сеток [1]. Такие гидрогели, содержащие до 80–95% воды, обладают исключительными механическими свойствами, на несколько порядков превосходящими свойства “традиционных” полимерных гелей и иногда даже сравнимыми со свойствами эластомеров. Двойные полимерные сетки являются чрезвычайно перспективными для создания искусственных манипуляторов, а также материалов биомедицинского назначения [2]. Двойные сетки представляют собой две взаимопроникающие полимерные сетки с сильно отличающимися свойствами: первая сетка должна быть образована сильно сшитым и обычно жестким полиэлектролитом, а вторая – слабо сшитым и гибким полимером. При механической деформации происходит разрыв связей (называемых “жертвенными”) в первой сетке, сопровождающийся значительной диссипацией энергии, что препятствует распространению разрыва и разрушению всего геля. При этом вторая сетка упруго деформируется и поддерживает эластичность геля.

До настоящего момента абсолютное большинство исследований было посвящено химически сшитым двойным сеткам, в которых макромолекулы в каждой сетке связаны друг с другом прочными ковалентными связями. Однако их существенным недостатком является то, что они необратимо теряют свои механические свойства уже после первой деформации вследствие необратимого разрыва ковалентных связей. Придать двойным сеткам возможность самовосстановления можно путем замены ковалентных сшивок на динамические, способные обратимо разрываться и рекомбинировать. Авторы настоящей работы предположили, что объединение преимуществ этих двух концепций позволит увеличить механическую прочность гидрогеля за счет двойной сетчатой структуры и его быстрое самовосстановление за счет лабильных связей.

К настоящему времени предложены различные подходы к созданию самовосстанавливающихся гидрогелей на основе одиночных полимерных сеток: например, получены гели, восстанавливающиеся за счет формирования водородных связей [3], координационных связей между катехольными группами, что имитирует адгезию моллюсков [4], гидрофобных взаимодействий [5], и другие типы гидрогелей [6]. Лейблером с соавторами [7] созданы витримеры – резины, восстанавливающиеся при нагревании за счет активации реакций межцепного обмена. Получены двойные сетки на основе полисахарида агара и гидрофобно модифицированного полиакриламида (ГМ-ПАА) [8], но для них наблюдается лишь частичное восстановление механических свойств (на 40%). При этом перспективным представляется подход, связанный с использованием слабых динамических ковалентных связей, способных разрываться и быстро рекомбинировать при комнатной температуре.

В настоящей работе получены и исследованы двойные полимерные сетки, в которых каждый из полимеров сшит динамическими связями, способными к быстрому и полному восстановлению. Первая сетка образована полисахаридом гидроксипропилгуаром (ГПГ), сшитым борат-ионами, которые образуют связи с гидроксильными группами полимера [9] при значениях рН больше 9.2. Сшивки борат-ионами имеют ковалентную природу, однако их энтальпия для различных систем составляет всего около 5–20 кТ [10, 11], что существенно меньше характерной энергии обычной ковалентной связи С–С, поэтому они способны обратимо разрываться и восстанавливаться очень быстро – за время порядка нескольких секунд. Сшивки борат-ионами будут служить “жертвенными” и обеспечивать диссипацию энергии в процессе деформации.

Вторая сетка сформирована молекулами ГМ-ПАА [12] – мультиблоксополимера, получаемого мицеллярной сополимеризацией акриламида и стеарилметакрилата (СМА). Для солюбилизации нерастворимого в воде мономера СМА добавляли поверхностно-активное вещество додецилсульфат натрия (ДСН). Молекулы ГМ-ПАА сшиты гидрофобными доменами, образованными в результате агрегации боковых гидрофобных алкильных цепей полимера, образованных СМА. Большая длина (С18) алкильных цепей СМА обуславливает их сильное гидрофобное взаимодействие, что позволяет сделать сшивки прочными [5], но алкильные цепи СМА внутри сшивок не кристаллизуются за счет того, что в сшивки также включены молекулы ДСН [13]. Таким образом, сшивки образованы за счет нековалентных гидрофобных взаимодействий и имеют динамический лабильный характер, в отличие от ранее описанных двойных сеток, в которых цепи ПАА были сшиты ковалентными связями (например, при помощи N,N'-метиленбисакриламида).

Двойные сетки получали следующим образом (схема приведена на рис. 1): ГПГ (1.5 вес. %) растворяли в водном растворе ДСН (5.7 вес. %) при рН 10 вместе с мономерами (акриламидом и СМА, полная концентрация мономеров 15 вес. %, молярное отношение [СМА]/[акриламид] = = 1/100) и фотоинициатором (2-гидрокси-4'-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофеноном, молярное отношение [фотоинициатор]/[акриламид] = = 1/450). Проводили фотополимеризацию (1 ч при действии УФ-лампы) с образованием сетки ГМ-ПАА. Затем к полученному гелю добавляли водный раствор сшивателя (тетрабората натрия), образующего борат-ионы. Вследствие динамического характера сшивок они способны диффундировать внутрь геля и перераспределяться в нем, что приводит к формированию сшитой сетки ГПГ во всем объеме геля. Равномерное распределение борат-ионов подтверждено тем, что механические свойства (частотные зависимости модуля накоплений G' и модуля потерь G'') различных частей геля (вырезанных из достаточно большого образца, в одну часть которого был добавлен водный раствор сшивателя) полностью совпали. Концентрация бората в геле составляла 0.086 вес. %, что соответствует наибольшему количеству сшивок между молекулами ГПГ в аналогичной одиночной сетке.

Рис. 1.

Схема синтеза двойной полимерной сетки ГПГ, сшитого борат-ионами, и ГМ‑ПАА, сшитого гидрофобными доменами.

Таким способом были получены прозрачные, однофазные и гомогенные гидрогели. Их механические свойства исследованы на ротационном реометре Anton Paar Physica MCR 301 (Австрия) в режиме осцилляционного воздействия [14, 15]. На рис. 2 представлены частотные зависимости модуля накоплений (G') и модуля потерь (G'') для гидрогеля ГПГ/ГМ-ПАА, а также для соответствующих однокомпонентных гидрогелей при тех же концентрациях компонентов. Для образца ГПГ/ГМ-ПАА упругий отклик преобладает над вязким (G' > G'') во всей исследованной области частот, то есть для него наблюдается гелеобразное поведение. На зависимости G'(ω) имеется плато, и модуль накоплений при высоких частотах (G₀) составляет 22 кПа, что превышает сумму модулей упругости каждой из сеток ГМ-ПАА (9 кПа) и ГПГ (0.15 кПа) по отдельности. Это свидетельствует о формировании двух взаимопроникающих сеток, между которыми образуются зацепления. Эти зацепления, в дополнение к сшивкам в каждой из сеток, вносят вклад в полный модуль упругости двойной сетки. Как для двойной сетки, так и для каждой из одиночных сеток имеется частота ω₀ пересечения кривых G'(ω) и G''(ω), которой соответствует время, характерное релаксации τ = 1/ω₀. Это указывает на динамический характер сшивок и их способность к перестроению. Время релаксации τ для двойной сетки составляет порядка 1600 c, что больше соответствующих значений для каждой из сеток по отдельности (600 с для сетки ГМ-ПАА и 250 с для сетки ГПГ). Отметим, что релаксация гидрофобных доменов происходит чрезвычайно медленно, поэтому при характерных временах воздействия на двойную сетку порядка сотен секунд она проявляет преимущественно упругое поведение и ведет себя как гель. Модуль потерь G'' для двойной сетки больше соответствующих значений для каждой из сеток в отдельности, что указывает на большую диссипацию энергии в процессе деформации вследствие обратимого разрыва сшивок.

Рис. 2.

Частотные зависимости модуля накоплений (G', закрашенные символы) и модуля потерь (G'', полые символы) для гелей, содержащих: 1) 1.5 вес. % ГПГ и 0.086 вес. % тетрабората натрия (треугольники), 2) 15 вес. % ГМ-ПАА, мольное отношение [СМА]/[акриламид] = 1/100, в присутствии 5.7 вес. % SDS и 2.2 вес. % NaCl (круги), 3) двойную сетку ГПГ/ГМ-ПАА при тех же концентрациях (квадраты). Температура 20°С.

Для исследования способности двойных сеток к самозаживлению гели разрезали пополам, после чего две половины прикладывали друг к другу, выдерживали некоторое время при комнатной температуре и растягивали (рис. 3). Видно, что при относительно малых временах (1800 с), прошедших после разрезания, гель разрывается в месте разреза (место начала разрыва показано стрелкой). Однако даже при этом гель выдерживает до начала разрыва относительное удлинение (отношение длины геля в растянутом и нерастянутом состоянии) около 6. По прошествии 3600 с (что существенно больше, чем характерное время релаксации двойной сетки) гель не разрывается при относительных удлинениях до 10. Это свидетельствует о самовосстановлении вследствие рекомбинации динамических сшивок в месте разреза.

Рис. 3.

Фотографии двойной сетки ГПГ/ГМ-ПАА: (а) две части геля до приложения друг к другу (одна часть подкрашена красителем родамином 6Ж), (б) две части геля сразу после приложения друг к другу, (в) растяжение геля через 30 мин после приложения частей друг к другу (стрелкой показано место начинающегося разрыва), (г) растяжение геля через 60 мин после приложения частей друг к другу. Температура 20°С.

Таким образом, впервые получены гидрогели на основе двойной сетки полисахарида ГПГ, сшитого борат-ионами, и ГМ-ПАА, сшитого гидрофобными доменами. Обнаружено, что механические свойства двойной сетки выше, чем каждого из компонентов по отдельности, причем полученные гидрогели обладают способностью к самозаживлению при комнатной температуре без дополнительного воздействия вследствие динамического характера сшивок в каждой из сеток. Подход, связанный с использованием динамических ковалентных связей, может быть распространен на другие классы двойных полимерных сеток, например, на сетки, в которых боратные группы будут привиты к одному или к обоим полимерам, а также на нанокомпозитные двойные сетки, в которых наночастицы могут быть связаны с полимерной матрицей при помощи борат-ионов.