本研究通讯作者为浙江大学高分子科学与工程学系的游正伟教授，合作者包括黄泓飞、王慧菁、孙立杰、张若菡、张璐之、吴泽楷、郑雅璇、王洋、符玮、张佑伟、Rasoul Esmaeely Neisiany。研究成果以论文《长程电子效应促进硫辛酸开环聚合以制备用于生物电子学的仿生离子弹性体》的形式，于2023年7月12日在线发表于学术期刊 CCS Chemistry 上，并于2024年3月1日正式刊出。
研究背景 本研究的核心科学领域是高分子化学与材料科学，具体聚焦于动态共价键聚合物——聚二硫化物（poly(disulfide)s）的合成新方法及其在生物电子学领域的应用。聚二硫化物因其主链中动态的二硫键而具有刺激响应性、可降解性、自修复性等独特性质，在柔性可穿戴电子、智能材料和药物递送等领域展现出巨大潜力。
然而，传统聚二硫化物的合成方法存在明显局限。无论是含二硫键单体的逐步聚合、二硫醇的聚合，还是热引发、光引发或阴离子引发的环状二硫化物开环聚合（Ring-Opening Polymerization, ROP），通常都需要依赖外部刺激（如加热、光照）或使用有毒的引发剂。这些苛刻条件不仅增加了工艺复杂性和成本，也限制了所得材料在生物医学等敏感领域的应用。此外，使用有毒引发剂还可能引入生物不相容的杂质，不利于材料的生物安全性。因此，开发一种在温和条件下（如室温、无需外加刺激和有毒引发剂）高效合成聚二硫化物的新方法，对于拓展其在生物电子学等前沿领域的应用至关重要。
本研究选用的单体是生物基可再生环状1,2-二硫戊环——硫辛酸（Thioctic Acid, TA）。TA本身是一种天然存在的分子，具有良好的生物相容性和可持续性。此前的研究已利用热或光刺激聚合、以及溶剂挥发诱导组装聚合等方式，将TA制备成可回收塑料、液晶弹性体等。但这些方法依然未能摆脱对有毒引发剂、复杂过程或外部加热的依赖。
基于前期工作中利用电子效应调控动态键活性的基础，本研究团队提出了一个创新性的科学设想：能否利用“长程电子效应”（long-range electronic effect）来改变二硫键的反应活性，从而实现温和条件下的高效聚合？这一设想构成了本研究的核心出发点。具体而言，研究者旨在探索通过对TA进行去质子化（deprotonation），利用生成的羧酸根离子的长程电子给体效应，来极化和活化环状二硫键，并利用该羧酸根本身作为亲核试剂引发开环聚合，从而建立一种全新的、无需外加刺激和引发剂的TA开环聚合方法。最终目标是通过此方法合成出一系列兼具优异力学性能、自修复性、导电性、可降解性、生物相容性和抗菌性能的仿生离子弹性体，以满足生物电子学器件对材料的多重要求。
详细研究流程与对象 本研究是一个系统的材料设计、合成、表征与性能评估过程，主要包含以下几个关键步骤和相应的研究手段：
1. 材料设计与合成 (Design, Synthesis, and Chemical Structural Characterization) * 研究对象与样品制备： 核心研究对象是去质子化硫辛酸（CHOTA）及其与过量TA共聚形成的离子液晶聚二硫化物弹性体（Ionic Liquid Crystal Poly(disulfide)s, I-LCPDs）。具体制备流程如下： * CHOTA的制备： 将TA与去质子化试剂胆碱碳酸氢盐（Choline Bicarbonate）以等摩尔比（1:1）溶解在氘代二甲基亚砜（DMSO-d6）中，于25°C反应30分钟，得到黄色透明的CHOTA离子液体。 * I-LCPDs的制备： 通过改变胆碱碳酸氢盐与TA的摩尔比（n:m = 1:1, 0.8:1, 0.7:1, 0.6:1），在乙醇中溶解并搅拌反应30分钟，得到含有不同比例CHOTA和剩余TA的前驱体溶液。然后将该溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在25°C环境条件下反应12小时，再真空干燥12小时，最终得到一系列不同组成的I-LCPDs薄膜（分别命名为I-LCPD 1:1, 0.8:1, 0.7:1, 0.6:1）。所有操作均在室温下进行，无需任何外部刺激或额外引发剂。 * 表征方法与数据获取： 采用多种光谱和色谱技术确认化学结构。 * 核磁共振（NMR）： 使用Bruker Avance 600 NMR谱仪记录(^1)H NMR和(^{13})C NMR谱图，证实了CHOTA的形成以及I-LCPDs的成功聚合。通过对比不同比例I-LCPDs的谱图，分析了去质子化程度对分子链上质子及碳原子化学位移的影响。 * 傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 使用Thermo Scientific Nicolet 8700光谱仪记录谱图。关键证据是TA中-COOH的C=O伸缩振动峰（1686 cm(^{-1})）在形成CHOTA后，转变为-COO(^-)的不对称（~1557 cm(^{-1})）和对称（~1390 cm(^{-1})）伸缩振动峰，直接证明了去质子化的发生。同时，通过不同I-LCPDs样品中-COOH和-COO(^-)特征峰的强度变化，量化了体系中氢键数量的变化。 * 拉曼光谱（Raman）： 使用Renishaw激光显微拉曼光谱仪（532 nm激发波长）监测聚合过程。重点关注S-S键的特征峰（~510 cm(^{-1})）的位移和形状随时间的变化，以反映反应动力学。 * 凝胶渗透色谱（GPC）： 使用Agilent PL-GPC50系统（以DMSO为流动相，葡聚糖标样校准）测定I-LCPDs的数均分子量（M(_n)），结果显示最高可达772 kDa，证明了该温和方法能够合成高分子量聚合物。 * 扫描电子显微镜与元素分布（SEM & EDS）： 使用Hitachi SU-8010场发射扫描电镜和牛津EDS系统观察I-LCPDs薄膜的表面形貌和元素（C, O, S）分布，结果显示薄膜表面致密光滑，元素分布均匀。
2. 反应动力学与机理研究 (Reaction Kinetics Analysis) * 研究目的： 从微观到宏观多个层面验证“长程电子效应促进开环聚合”的机理。 * 研究方法与流程： * 理论计算 (Computational Methods)： 本研究的关键新颖方法之一是将密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算与实验相结合，深入探究机理。使用Gaussian 09软件在B3LYP/6-31G**基组水平上对TA和CHOTA分子进行结构优化，并考虑乙醇溶剂的隐式溶剂模型。利用Multiwfn和VMD软件进行波函数分析，计算并可视化分子静电势（Electrostatic Potential, ESP）分布。更重要的是，使用Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)软件包，采用爬坡弹性带（Climbing Image Nudged Elastic Band, CI-NEB）方法模拟了TA和CHOTA中S-S键断裂所需克服的能垒。 * 流变学监测 (Rheological Tests)： 使用Anton Paar MCR702流变仪，在恒定频率（1 Hz）下实时监测不同比例前驱体溶液的粘度变化，从宏观上反映聚合反应速率。 * 数据分析关联： 将NMR观察到的质子/碳原子化学位移上移（表明电子密度增加）、ESP计算显示的分子表面电子密度增加及S-S键两极电势差增大（表明键的极化）、拉曼光谱中S-S键峰的快速移动、流变测试中粘度的急剧上升、以及DFT计算得到的S-S键能垒降低（从TA的3.23 eV降至CHOTA的2.94 eV）等多维度数据相互关联、互为印证，共同构建了完整的证据链。
3. 材料结构与热性能表征 (Liquid Crystal Structural and Thermal Characterization) * 研究目的： 探究溶剂挥发诱导自组装形成的结构，以及材料的热稳定性。 * 研究方法： * 偏光显微镜（POM）： 使用Olympus BX53-P偏光显微镜观察I-LCPDs薄膜的液晶织构。 * X射线衍射（XRD）： 使用Bruker D8 Advance衍射仪（Cu Kα辐射）分析材料的结晶性。 * 流变频率扫描： 在聚合过程的不同时间点（1小时和3小时），对前驱体溶液进行频率扫描，分析其粘度随剪切速率的变化，关联反应速率与自组装时间。 * 热重分析（TGA）与差示扫描量热法（DSC）： 分别使用Netzsch TG 209 F1和Mettler Toledo DSC-822分析材料的热分解温度和热转变行为（如熔点T(_m)，玻璃化转变温度T(_g)通过动态热机械分析DMA测得）。 * 紫外-可见分光光度计（UV-Vis）： 使用Jasco V-630评估薄膜的光学透明度。
4. 力学与电学自修复性能评估 (Self-healing Performance of the Mechanical and Electrical Properties) * 研究目的： 系统评估I-LCPDs作为弹性体材料的力学性能、弹性恢复能力、室温自修复能力以及作为离子导体的电学性能和电学自修复能力。 * 研究方法与对象： 对所有四种配比的I-LCPDs样品进行测试。 * 力学性能： 使用MTS E42拉伸试验机进行单轴拉伸测试（拉伸速率50 mm/min），获取应力-应变曲线，计算断裂强度、断裂伸长率、韧性、杨氏模量等。对切割并室温愈合2小时后的样品进行同样测试，评估力学性能恢复率。 * 自修复流变学： 使用TA Instruments Discovery HR-2流变仪进行连续应变扫描测试，通过存储模量（G‘）和损耗模量（G“）在高低应变交替下的变化，证实超分子网络的瞬时自修复能力。 * 循环拉伸与弹性恢复： 对代表性样品（I-LCPD 0.6:1）进行大应变（300%）循环拉伸测试，并间隔不同松弛时间，评估其能量耗散和弹性恢复性能。 * 电学性能： 使用CHI670E电化学分析仪进行电化学阻抗谱（EIS）测试，计算离子电导率。使用Keithley DMM7510万用表实时监测切割-愈合过程中材料的电阻变化。 * 直观演示： 构建由I-LCPD、LED灯和电源组成的简单电路，直观演示材料的导电性、电学自修复能力以及应变传感特性（LED亮度随材料拉伸而改变）。
5. 降解性能与生物相容性评估 (Heating-mediated Degradation and Biocompatibility of I-LCPDs) * 研究目的： 验证材料的环境可降解性、循环再利用潜力以及用于生物电子学所必需的生物安全性和抗菌性能。 * 研究方法与对象： * 热降解与循环： 将I-LCPDs薄膜在80°C水溶液中加热。使用UV-Vis光谱实时监测在330 nm处出现的环状单体特征吸收峰的变化，跟踪降解过程。利用(^1)H NMR进一步确认降解产物结构，并将降解产物溶液重新浇筑成膜，验证其再聚合能力。 * 细胞相容性： 使用小鼠成纤维细胞（3T3细胞）。将材料浸提液（2000 mg/L）与细胞共培养。 * Calcein-AM/PI双染： 使用荧光显微镜（Leica DMI3000B）观察活细胞（绿色）和死细胞（红色），并通过ImageJ软件统计细胞存活率。 * CCK-8 assay： 使用酶标仪（Synergy）在450 nm波长下检测吸光度，定量评估细胞增殖情况。 * 抗菌性能： 针对革兰氏阴性菌（大肠杆菌E. coli）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌S. aureus）。 * 活/死染色： 观察细菌在材料表面的存活状态。 * 浊度法（OD600测量）： 评估材料浸提液对细菌生长的抑制效果。 * SEM观察： 观察经材料处理后的细菌形貌完整性。
主要研究结果 1. 成功建立温和高效的聚合新方法并合成高分子量I-LCPDs。 通过简单的室温混合，无需任何外部刺激和有毒引发剂，成功实现了TA的去质子化促进开环聚合。GPC表征证实合成了一系列高分子量的聚二硫化物弹性体（M(_n) 从310 kDa到772 kDa不等），并且聚合物分子量可通过单体比例进行调节。FTIR和NMR结果清晰地证明了去质子化反应的发生以及聚合物的结构。
2. 从多尺度证实了“长程电子效应”的机理。 * 分子尺度： (^1)H NMR和(^{13})C NMR显示，去质子化后，环状二硫戊环上远离羧酸根的质子（H(_a), H(_b)）和碳原子的化学位移均向高场移动，表明整个环的电子密度因羧酸根的给电子效应而增加。 * 电子结构尺度： DFT计算得到的ESP分布图显示，CHOTA分子中碳、氢原子以及分子表面的ESP比TA更负（电子密度更高）。特别重要的是，两个硫原子（S1, S2）的ESP差值从TA的2.11 kcal/mol增大到CHOTA的4.31 kcal/mol，直接证明了S-S键发生了极化。 * 能量尺度： CI-NEB计算表明，去质子化使S-S键的断裂能垒从3.23 eV显著降低至2.94 eV，从能量角度解释了反应活性提升的原因。 * 宏观动力学尺度： 拉曼光谱显示CHOTA的S-S键峰（505 cm(^{-1})）随时间变化极快，而随着TA比例增加（即CHOTA比例减少），变化速率减慢。流变测试也显示，CHOTA比例最高的I-LCPD 1:1前驱体溶液粘度上升最快。这些宏观现象与微观机理完美对应，形成了完整的证据链，证实了去质子化通过长程电子效应极化了S-S键，降低了其键能，同时生成的羧酸根作为原位亲核试剂攻击被极化的S-S键，从而协同促进了开环聚合。
3. 获得具有多级结构的离子液晶弹性体。 POM和XRD结果表明，除了反应速率最快的I-LCPD 1:1外，其他配比的I-LCPDs在聚合过程中通过溶剂挥发和离子对静电作用发生了自组装，形成了有序的液晶相。这种液晶结构随着TA含量增加（反应速率减缓，自组装时间更充分）而更加有序，从而提高了材料的熔点（从70°C升至115°C）和热稳定性。材料同时具备高透明度（>80%）和组织级别的柔软度（杨氏模量18.2 - 111.1 kPa）。
4. 材料展现出优异的室温自修复性能和可调的力学/电学性能。 * 力学性能可调且可自修复： 随着液晶相含量增加（从1:1到0.6:1），材料的断裂强度（4.0 → 62.8 kPa）和断裂伸长率（1100% → 6100%）大幅提升，韧性增加两个数量级。所有材料均表现出室温瞬时自修复能力。例如，I-LCPD 0.6:1切割愈合2小时后，其拉伸强度、最大伸长率和韧性恢复率均超过90%。动态流变应变扫描证明了其超分子网络在破坏后可快速重建。 * 弹性与能量耗散： 循环拉伸测试显示材料具有显著的弹性恢复能力，首次循环的能量耗散主要归因于氢键、静电相互作用等非共价牺牲键的断裂。 * 离子导电与电学自修复： 由于移动的胆碱阳离子存在，I-LCPDs表现出离子导电性，电导率在2.39×10(^{-2})到0.28×10(^{-2}) S m(^{-1})之间可调。万用表监测和LED电路演示直观地证明了材料被切断后，导电通路能迅速恢复，具备优异的电学自修复能力。同时，材料在拉伸时电阻发生变化，使LED亮度改变，显示出应变传感潜力。
5. 材料具备可降解性、生物相容性与抗菌性。 * 可降解与可循环： 利用主链二硫键的动态性，I-LCPDs可在80°C水溶液中加热降解，UV-Vis和NMR跟踪证实了降解产物主要为环状单体。降解产物可被重新聚合成性能与原始材料相似的薄膜，实现了材料的闭环循环。 * 优良的生物相容性： Calcein-AM/PI染色显示，与I-LCPDs浸提液共培养3天的3T3细胞存活率均高于94%。CCK-8实验也证实细胞能够正常增殖。这表明材料具有良好的细胞相容性。 * 一定的抗菌性能： 针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的活/死染色、浊度测试和SEM观察表明，I-LCPDs能够抑制细菌生长并对细菌表面造成一定损伤，具备抗菌性能，有利于生物医用场景下的抗感染。
结论与价值 本研究的主要结论是：成功揭示并利用了长程电子效应这一基本原理，显著改变了二硫键的反应活性，进而创立了一种去质子化促进开环聚合的全新合成策略。该策略条件极其温和（室温、无外加刺激和有毒引发剂），操作简单，效率高。基于此策略，以生物基硫辛酸为原料，制备出了一类新型的仿生离子导电弹性体（I-LCPDs）。
这项研究的科学价值在于： 1. 提出了新的聚合机理： 超越了传统的短程诱导效应，明确阐述了长程电子效（包括诱导效应和场效应的综合作用）如何通过空间传递，极化并活化远离官能团的动态共价键（S-S键），为设计和发展新的可控聚合反应提供了重要的理论指导。 2. 发展了绿色合成方法： 实现了在完全温和条件下的高分子量聚二硫化物合成，避免了有毒试剂和能源消耗，符合绿色化学和可持续发展理念。 3. 创造了高性能多材料体系： 将离子液体、液晶相、动态共价键网络、超分子相互作用（氢键、离子对）等多重特性集成于单一材料中，实现了性能的协同与突破。
其应用价值尤为突出，所制备的I-LCPDs材料几乎集成了理想生物电子学接口材料的所有关键属性：组织般柔软（模量匹配）、可拉伸、透明、离子导电、室温自修复（力学与电学）、可降解、生物相容且抗菌。这使其在柔性生物传感器、可植入电子器件、人机交互界面、软组织机器人等领域具有巨大的应用潜力。
研究亮点 1. 概念创新性强： “长程电子效应促进动态键活化”的核心概念具有高度的原创性和启发性，为高分子合成化学提供了新思路。 2. 方法论层次丰富： 研究采用了从理论计算（DFT、ESP、CI-NEB） 到多尺度实验表征（NMR、Raman、Rheology） 的紧密结合，对反应机理的阐述极为深入、透彻和令人信服。 3. 材料性能全面卓越： 所开发的材料并非单一性能突出，而是在自修复、导电、力学、降解、生物相容等多个维度同时达到高水平，且这些性能均来源于合理的分子与结构设计，显示了强大的材料设计能力。 4. 应用导向明确： 整个研究以解决生物电子学领域的材料瓶颈为最终目标，所有性能表征和评估均围绕这一目标展开，成果转化前景清晰。
其他有价值内容 论文最后指出，这种针对TA的去质子化策略所体现的长程电子效应，是一个强大但某种程度上被忽视的合成策略。作者相信，进一步应用这一策略将能够激发一系列新的化学反应，并带来更多有价值的物质。这为未来研究指明了方向，即可以将此原理拓展至其他含有动态键（如二硫键、硒硫键等）和可离子化官能团的单体体系，开发出更多功能独特的聚合物材料。