摘要
近年来，通过向自然界生物体学习，在材料中实现类似于生物体中可以观察到的生长特性成为备受关注的研究焦点之一。如生物体尺寸的生长、微结构的生长、环境适应性生长、原位的性能调控、生长过程中的可控物质迁移等，并且这些生长特性是原位发生的。目前，已经有许多研究致力于在材料中实现这些生长特性和生长过程中可控的物质迁移。然而，开发新的自生长策略和可控的物质迁移策略，例如交替连续自生长策略、按需供给营养液的连续自生长策略等，并探索这些策略在连续多次生长、适应性生长、尺寸和性能的原位后调控、新旧网络的均质化机制、可控的物质迁移、营养液的自发供给、表面纹理的空间可控生长等方面的可行性仍需要更多的探索和研究，尤其是在基于纯物理相互作用交联（氢键、离子相互作用等非共价键动态相互作用）的生长材料中。因此，针对于这些问题，本论文设计合成了基于物理相互作用交联的自生长离子复合水凝胶，在材料层面实现了连续多次生长、性能和尺寸的原位后调节、适应性生长、新旧网络的均质化、可控的物质迁移、营养液自发供给的连续性生长、可调生长速率的空间可控表面纹理生长。 本论文的主要内容和结果如下： 1.基于弱酸和弱碱形成的静电相互作用和酸碱相互作用之间的动态平衡机制，本章提出了一种交替生长策略以实现水凝胶尺寸和性能的原位后调节。该策略中，选择丙烯酸（AA）作为酸式单体，甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DEMA）作为碱式单体，成功制备了基于酸碱复合结构（ABC）的离子复合生长水凝胶，即种子材料。在种子材料中存在典型的静电相互作用和酸碱相互作用之间形成的动态平衡，该平衡用酸性/碱性单体溶胀时将促使其偏向酸碱相互作用，促进内部网络应力的释放和营养液的均匀分布。溶胀单体的聚合将促进平衡偏向静电相互作用。最终，原始网络和新网络重构形成均质化的聚合物网络。基于这个生长机理，种子材料可以整合外部提供的化合物来改变它们的大小、几何形状、机械性能等。此外，水凝胶不仅可以在不影响材料力学性能的情况下持续生长，也可以通过改变营养液顺序、组成、生长方式等实现生长产物的结构和性能的原位后调控。进一步的结果显示水凝胶可以被设计为受力状态下生长的人工组织。然而，基于物质的可控迁移实现的非溶胀方式的营养液自供给生长等问题仍需要探究。 2.基于静电相互作用，本章提出了一种利用挥发和重新溶胀的方法在离子复合水凝胶中构建液滴结构的策略，并实现基于液滴结构的物质可控迁移。在该策略中，利用两步自由基聚合成功制备基于聚阳离子（聚（N,N,N-三甲基-3-（2-甲基烯丙酰氨基）-1-氯化丙铵）：PMPTC）和聚阴离子（聚苯乙烯磺酸钠：PNaSS）的含有抗衡离子（NaCl）的离子复合水凝胶。经过透析除去抗衡离子即可获得含有高密度相和低密度相的初始水凝胶。在此基础上，利用水挥发诱导低密度相区域形成亚稳态塌缩结构，进一步水重新溶胀后诱导亚稳态塌缩区域形成液滴结构，最终形成含有稳定液滴结构的水凝胶。这种液滴结构和亚稳态塌缩结构之间可以进行可逆转换。该水凝胶不仅可以实现可逆图案化和永久性图案化功能，也可实现机械性能各向异性控制和可控的物质迁移。这种挥发诱导的可控的物质迁移可以用于开发基于液滴结构的营养液自发供给的生长材料。以该策略中的可控物质迁移为基础，结合光诱导聚合，即可实现多组分营养液自供给连续生长。 3.目前所开发的生长策略均是在聚合物基质中提前溶胀营养物质实现材料生长。针对于这个问题，受植物利用蒸腾作用驱动自发生长的启发，本章提出了一种基于蒸腾作用驱动营养物质自供给和生长速率可调的自生长策略。如上一章所述，液滴结构是通过单体聚合、聚合物相分离（高密度和低密度）、再溶胀诱导液滴形成来实现的。当水分从液滴中挥发时（蒸腾作用），蒸腾作用诱导离子复合水凝胶中独立的液滴内部产生负压，并自发地从聚合物外部的营养液中萃取水和营养物质，并将营养物质迁移到挥发区域，随后通过光刺激聚合实现材料的生长。此外，利用蒸腾作用的可调控性，通过调控外部环境变化（气流变化和温度变化）、孔隙率和单体结构等实现生长速率的可控调节，进而实现按需可控的生长。该水凝胶被成功用于构建多组分表面纹理的生长。这种生长是空间可控的，可用于构建组成成分不同的复杂图案。该方法是按需制造纹理表面的一种新策略。
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