鑽石舞台

創新點：清華大學化工系楊振忠/梁福鑫團隊提出了一種Janus納米顆粒調控雙網絡水凝膠網絡間耦合作用新策略。

關鍵詞：Janus納米粒子，雙網絡水凝膠，耦合

高強度水凝膠被廣泛應用於組織工程、柔性設備、藥物輸送和人造器官等領域。傳統的單網絡水凝膠缺乏有效的能量耗散機制，導致凝膠在應力集中時容易被破壞，力學性能差。雙網絡（DN）水凝膠是一種經典的解決方案，兩種相互穿插的網絡分別有着不同的功能，緻密交聯的網絡可以通過斷鍵耗散能量，而鬆散交聯的網絡可以維持凝膠的基本結構，避免了應力集中，提升力學強度。另外，一些納米顆粒可以摻雜到水凝膠中，與凝膠網絡形成物理相互作用或共價鍵合，提高機械性能。然而，這些納米顆粒通常只與單一凝膠網絡有貢獻。Janus納米顆粒是一種表面具有兩種或兩種以上化學分區，具有非中心對稱結構的分區納米複合材料，能夠實現不同化學組成和功能的分區集成，使得Janus納米顆粒擁有了多反應性與多功能性，目前在固體乳化劑、界面催化、功能塗層、細胞診斷與治療等領域具有獨特優勢。

近日，清華大學楊振忠/梁福鑫團隊與北京協和醫院肖毅/徐徠團隊、中國科學院大學屈小中教授合作，首次將多功能的Janus納米顆粒（NR3+-JN-NH2）引入到乙二醇殼聚糖/海藻酸鈉（GC/Alg）DN水凝膠中，Janus納米顆粒通過化學鍵與兩個網絡分別作用實現網絡間耦合，調控雙網絡水凝膠的力學性能（圖1）。

通過種子乳液聚合誘導相分離和選擇性修飾方法製備了具有兩種化學分區的非中心對稱結構Janus納米顆粒，在顆粒一側修飾氨基基團，在另一側引入季銨鹽基團（圖2）。Janus納米顆粒兩側的不同基團與GC/Alg DN 水凝膠中的不同網絡分別作用，實現雙網絡的耦合。Janus納米顆粒作為交聯點能夠調控水凝膠網絡的疏密程度，通過冷凍掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡表徵Janus納米顆粒用量對水凝膠結構的調控作用（圖3）。雙網絡耦合能夠提升水凝膠力學性能，Janus顆粒在水凝膠中引入了更多種化學鍵交聯，不同的交聯作用在壓縮載荷作用下依次斷裂，能量逐漸消散，從而增強了力學性能。當Janus納米顆粒加入量僅為0.3 wt% 時，水凝膠的斷裂能和壓縮模量相較於單純DN 水凝膠提升顯著（圖4）。

總而言之，Janus納米顆粒為雙網絡水凝膠提供了一種微結構和力學性能調控新方法。研究者相信，此項研究將會為提高水凝膠機械性能研究打開一扇新的窗戶，也為Janus材料的應用開闢了新的領域。