摘要
水凝胶具有含水量高、生物兼容性好、孔隙率大等优点，是最接近生物软组织的湿软材料，因此在生物医学、植入医疗器械等领域有着广泛的应用。近些年，为了让水凝胶能够作为结构性基质材料，水凝胶的力学性能引起了广泛的研究。虽然一些强韧性水凝胶材料已被陆续开发出来，但不同的应用场景对水凝胶的力学响应行为有特异性要求。因此，实现水凝胶的力学响应行为的理性设计具有重要的现实与科学意义。另外，在实际应用中，除了需要考虑水凝胶的力学性能，从应用角度出发赋予其特殊功能性也十分重要。如软电子学和传感器等领域，需要水凝胶具有导电的特性。而像生物医用材料、驱动器等领域，需要水凝胶能对不同刺激性做出响应，如形状可编程的智能材料。因此，如何采用有效的策略，设计和构建功能性强韧水凝胶，一直是高分子水凝胶领域的研究重点。目前，大部分水凝胶不能将优异的机械性能与导电性或形状记忆效应等功能性很好的整合在一起。例如：对于导电水凝胶而言，现有的导电水凝胶的机械强度相对较低，目前提高机械性能的策略主要是采用不导电的柔性基质。然而，由于引入的非导电聚合物基质占据了很大一部分空间，这可能会导致导电性能的下降，并且还涉及额外的复杂过程。对于温度驱动的形状记忆水凝胶而言，大部分形状记忆水凝胶均表现为双重形状记忆效应，但具体应用往往需要定制式服役形状甚至二次赋形。目前，制备热驱动的多重形状记忆水凝胶主要通过组合两种结晶性疏水基团制备双熔点水凝胶体系，从而使水凝胶具有三重形状记忆效应，但这种策略制备的水凝胶存在力学性能差且合成复杂等缺点。针对以上问题，本论文的研究内容如下： 首先，我们通过在PVA上接枝烷基辛链，借助溶剂-反溶剂的方法，通过调控辛基侧链取代PVA上羟基的比例(DS)，制备出了一系列力学性能可调的水凝胶样品并研究DS对于水热处理效应的影响；通过研究不同拉伸速率下的样品的拉伸行为，总结了DS与主要力学性能(包括杨氏模量、断裂伸长率以及断裂强度)的关系；进一步，我们分析了应变阻力与伸长率以及拉伸速率的关系，我们尝试揭示DS对于疏水团簇的性质的影响。 其次，我们通过对聚乙烯醇衍生物上烷基侧链的长度以及DS进行优化，筛选出了一种由温度驱动的可塑性和多重形状记忆整合的强韧性水凝胶材料。在经历水汽交换和水热处理后，聚合物的疏水烷基侧链可以形成强度不一的疏水团簇作为“分散性”物理交联位点。由于其动态性及可逆性，在外力下可实现多个临时形状和永久形状的编辑从而实现设计好的复杂的形状变化。这种水凝胶系统可以作为一个智能设备，使水凝胶能够在一维衬底周围进行热诱导的双向缠绕。在组织应用中，有望实现与组织自装配与自分离。 最后，我们通过一个简单而有效的浸泡处理，同时提高了水凝胶的机械性能和导电性能。通过控制浸泡时间，可以简单有效的调节其机械性能和导电性能。机械性能与导电性能的显著改善主要归应于多重非共价相互作用。我们通过控制浸泡时间，得到的最佳样品表现出高含水量(75 wt.%)、高拉伸应力(约2.5MPa)、高延伸率(>600%)、合理的导电性(约25mScm-1)，以及在热水的帮助下快速自愈的特性，并论证了该导电水凝胶可以作为应变传感器。该方法不仅适用于导电水凝胶，还可推广应用于其它机械性能较弱的功能性水凝胶。
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