光敏性水凝胶助力软物质增材制造

材料体系中可逆共价键的引入能够实现材料物理化学性质的可控调节，以及基于可逆交联网络实现材料的循环可塑利用。常见的可逆共价键联接，如光敏性环加合物、希夫碱、Diels-Alder加合物、二硫化物以及硼化酯等已被广泛用于各种功能材料的制备。其中，光敏性的分子基团受外界光刺激调控，刺激强度可调，还具有远程、精确、瞬时可控等优势，成为该领域中用于构筑可逆交联网络体系的热点体系。

近日，美国佛罗里达大学的Brent S. Sumerlin（点击查看介绍）研究团队基于香豆素衍生物之间的光控可逆性[2+2]环加成反应，同时引入水溶性N,N-二甲基丙烯酰胺组分制备了水溶性线性聚合物。该聚合物在长波紫外（UV）光下可固化形成水凝胶，而该水凝胶又可在短波UV光辐射下重新变成可溶性聚合物。这种具有可逆交联网络体系的光敏性水凝胶在基于选区曝光光刻图案化以及结合增材制造（additive manufacturing）构筑中空水凝胶器件等方面展现出重要的应用前景。

光敏性水凝胶体系广泛用于结构化器件构筑。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在无引发剂条件下，365 nm UV光辐照能够使香豆素衍生物间发生环加成反应生成交联点，从而使水溶性线性聚合物转变为凝胶体系；进一步采用254 nm UV光辐照能够实现交联点的破坏，恢复体系水溶性。基于上述可逆光诱导反应，结合选区光刻技术有望简便实现不同图案化水凝胶体系的制备，与其他软物质材料共同采用增材制造（例如3D打印）构筑3D器件，基于体系的光致溶解性能够简便实现中空水凝胶器件的构筑。

光敏性水凝胶体系光控原理及应用示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队通过香豆素衍生物基团与N,N-二甲基丙烯酰胺的自由基聚合，构筑水溶性光敏聚合物体系。该聚合物体系具有优异的光响应性，在365 nm/254 nm光辐照条件下能够循环可控的实现共价键交联的构筑与解离。

光敏性水凝胶体系光响应性测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

该光敏性丙烯酸基聚合物体系在实际的光控水凝胶图案化以及光辐照中空水凝胶器件（如中空管、空心球等）增材制造（3D打印）应用中展现出优异的实际应用性；基于上述方案制备的中空PVA管能够实现重力驱动下的液体传输。

光敏性水凝胶用构筑中空水凝胶器件。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

结论

该研究基于小分子间的光诱导环加成反应，将反应基团引入聚合物侧链实现了具有可逆交联点聚合物体系的制备。该光敏性聚合物体系溶液相中展现出优异的光控溶液-凝胶转变特性。该特性使其在光刻图案化凝胶制备以及光辅助3D打印制备中空水凝胶器件的应用中展现巨大的开发潜力，同时为其他智能响应性凝胶体系的构筑及应用提供了借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Photoreversible Covalent Hydrogels for Soft-Matter Additive Manufacturing

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 16793–16801, DOI: 10.1021/acsami.8b02441

导师介绍

Brent S. Sumerlin

http://www.x-mol.com/university/faculty/4156