本文介绍了一项关于通过霍夫迈斯特效应（Hofmeister effect）调控聚（乙烯醇）（PVA）水凝胶机械性能的研究。该研究由Shuwang Wu、Mutian Hua、Yousif Alsaid、Yingjie Du、Yanfei Ma、Yusen Zhao、Chiao-Yueh Lo、Canran Wang、Dong Wu、Bowen Yao、Joseph Strzalka、Hua Zhou、Xinyuan Zhu和Ximin He等作者共同完成，分别来自加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系、上海交通大学化学与化工学院以及阿贡国家实验室X射线科学部门。该研究于2021年发表在《Advanced Materials》期刊上。

研究背景

水凝胶是一种具有高含水量的三维交联聚合物材料，广泛应用于组织工程、药物递送、植入式电子设备、软体机器人等领域。然而，水凝胶的高含水量和松散的交联结构使其机械性能较弱，难以满足实际应用需求。尽管通过双网络结构、纳米填料和机械训练等方法增强了水凝胶的韧性，但其机械性能仍不如无水聚合物。此外，水凝胶的弹性模量需要与细胞相匹配，以促进细胞与水凝胶的粘附，并更好地模拟生理条件。在干细胞研究中，水凝胶的模量还会影响干细胞的分化、增殖和扩散。因此，如何调控水凝胶的机械性能，尤其是实现动态原位调控，成为当前研究的重要挑战。

研究目标

本研究旨在通过霍夫迈斯特效应，利用离子调控聚合物链的聚集状态，从而实现对水凝胶机械性能的广泛可逆调控。研究以PVA水凝胶为模型材料，探索不同离子对水凝胶机械性能的影响，并开发出一种具有超强韧性和广泛可调机械性能的水凝胶。

研究方法

研究采用了一种冷冻-浸泡法（freeze-soak method），通过将冷冻的PVA溶液浸泡在不同盐溶液中，利用离子诱导聚合物链的聚集，从而调控水凝胶的机械性能。具体步骤如下：

1. PVA溶液的制备：将PVA粉末溶解在去离子水中，加热搅拌制备不同浓度的PVA溶液。
2. 冷冻-浸泡过程：将PVA溶液冷冻至-20°C，随后加入不同浓度的盐溶液或纯水，待冰融化后观察是否形成水凝胶。
3. 机械性能测试：通过拉伸测试、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段，系统表征不同离子处理后的PVA水凝胶的机械性能和微观结构。
4. 离子效应研究：通过改变盐溶液的类型和浓度，研究不同离子对PVA水凝胶机械性能的影响，并探讨其背后的分子机制。

研究结果

研究结果表明，不同离子对PVA水凝胶的机械性能具有显著影响。通过改变离子类型和浓度，PVA水凝胶的拉伸强度、韧性、伸长率和模量可以在较大范围内进行调控。具体结果如下：

1. 离子类型的影响：不同阴离子和阳离子对PVA水凝胶的机械性能表现出不同的调控效果。阴离子的调控效果强于阳离子，且遵循霍夫迈斯特序列（Hofmeister series）。例如，SO₄²⁻和CO₃²⁻等阴离子能够诱导PVA链的聚集，形成高强度的水凝胶，而NO₃⁻和I⁻等阴离子则会导致PVA链的溶解，形成低强度的水凝胶。
2. 离子浓度的影响：随着盐溶液浓度的增加，PVA水凝胶的机械性能显著增强。例如，浸泡在饱和Na₂SO₄溶液中的PVA水凝胶表现出最高的拉伸强度（15 ± 1 MPa）、韧性（150 ± 20 MJ m⁻³）和伸长率（2100 ± 300%）。
3. 动态调控：研究还展示了PVA水凝胶机械性能的动态可逆调控。通过浸泡在不同盐溶液中，PVA水凝胶可以在硬态和软态之间切换，展示了其在神经元探针等应用中的潜力。

研究结论

本研究通过霍夫迈斯特效应，成功开发了一种具有广泛可调机械性能的PVA水凝胶。该水凝胶不仅具有超强韧性和高拉伸性，还能通过改变离子类型和浓度实现动态原位调控。这一策略为水凝胶在生物医学、软体机器人和可穿戴电子设备等领域的应用提供了新的平台。

研究亮点

1. 超强韧性：PVA水凝胶的韧性超过了PDMS、合成橡胶和天然蜘蛛丝等材料。
2. 广泛可调性：通过改变离子类型和浓度，PVA水凝胶的机械性能可以在较大范围内进行调控。
3. 动态调控：展示了PVA水凝胶机械性能的动态可逆调控，展示了其在神经元探针等应用中的潜力。

研究意义

本研究不仅为水凝胶的机械性能调控提供了新的思路，还为水凝胶在生物医学、软体机器人和可穿戴电子设备等领域的应用开辟了新的可能性。通过霍夫迈斯特效应调控水凝胶的机械性能，未来有望开发出更多具有优异性能的水凝胶材料，满足不同领域的需求。