本文介绍了一项由Liju Xu、Shan Gao、Qirui Guo、Chen Wang、Yan Qiao和Dong Qiu等研究人员共同完成的研究，该研究发表于2020年的《Advanced Materials》期刊上。研究团队来自中国科学院化学研究所、北京分子科学国家实验室、高分子物理与化学国家重点实验室以及北京大学第三医院骨科。该研究提出了一种通过溶剂交换策略调控非共价相互作用，从而制备高强度、抗溶胀水凝胶的新方法。
水凝胶（hydrogels）作为一种具有广泛应用前景的材料，在组织工程、柔性电子、软机器人等领域展现了巨大的潜力。传统的水凝胶制备方法通常涉及单体的原位聚合，这种方法存在聚合不完全、凝胶不均匀以及未反应单体和引发剂的毒性等问题。为了避免这些问题，研究人员开发了通过加热辅助溶解、浸泡辅助交联或冷冻-解冻等方法直接从现有聚合物制备水凝胶的技术。然而，这些方法制备的水凝胶往往存在机械强度低、稳定性差等问题。
本研究旨在通过调控非共价相互作用，开发一种新型的水凝胶制备方法，以解决传统方法中存在的机械性能不足和溶胀问题。研究团队提出了一种基于溶剂交换的策略，通过合理调控聚合物在溶解和交联过程中的非共价相互作用，制备出具有高强度、抗溶胀性能的水凝胶。
研究团队提出了一种两步溶剂交换策略，制备了一种名为“exogels”的均质聚合物水凝胶。具体步骤如下：
溶解步骤：首先，将聚合物（如聚乙烯醇，PVA）溶解在良好的溶剂（如二甲基亚砜，DMSO）中。DMSO是一种强氢键受体（HBA），能够与PVA的羟基形成氢键，从而抑制聚合物之间的氢键作用，使聚合物链在溶液中保持伸展状态，形成均匀的溶液。
交联步骤：随后，将溶液中的溶剂替换为较差的溶剂（如水）。由于水的氢键接受能力较弱，聚合物之间的氢键得以恢复，形成坚固的水凝胶网络。通过这种溶剂交换过程，研究人员成功制备出了具有高强度、抗溶胀性能的水凝胶。
研究团队通过一系列实验验证了exogels的优异性能：
机械性能：与传统的冷冻-解冻法制备的水凝胶（cryogels）相比，exogels表现出更高的拉伸模量和断裂能。例如，exogel-18的拉伸模量为0.18 ± 0.01 MPa，而cryogel-18的拉伸模量仅为0.03 ± 0.01 MPa。此外，exogels的断裂能是cryogels的2到3倍。
抗溶胀性能：exogels在水中浸泡7天后，体积变化几乎可以忽略不计（溶胀比约为2%），而cryogels的溶胀比高达72%。此外，exogels在溶胀后仍能保持良好的机械性能，而cryogels的机械性能则显著下降。
生物相容性：尽管在制备过程中使用了DMSO，但exogels表现出良好的生物相容性，细胞毒性较低，与cryogels相当。
水下粘附性能：exogels在水下表现出优异的粘附性能，能够牢固地粘附在铝、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和玻璃等不同基材上。例如，exogels在玻璃上的粘附强度达到305 ± 7 kPa。
本研究通过溶剂交换策略成功制备了具有高强度、抗溶胀性能的exogels。这种新型水凝胶在机械性能、抗溶胀性和生物相容性方面均表现出色，具有广泛的应用前景，特别是在水下粘附、组织工程和软机器人等领域。研究团队提出的溶剂交换策略为设计和制备高性能物理水凝胶提供了新的思路。
本研究通过溶剂交换策略成功制备了具有优异性能的exogels，为水凝胶材料的设计和制备提供了新的思路。该研究不仅具有重要的科学价值，还为水凝胶在多个领域的应用提供了新的可能性。