中科院苏州纳米所张学同/王锦《Langmuir》自增强微结构的硅气凝胶用于生物启发水凝胶
气凝胶是一种高性能的轻质开孔固体，具有超低的密度，高的比表面积，并在许多新兴领域（包括生物技术，能源，环境，航空航天等）中得到广泛应用。在防止亲水性气凝胶方面仍然存在巨大的挑战在环境条件下的制造过程中，在其极其丰富的纳米孔中用空气代替溶剂时，骨架收缩。最近，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员/王锦副研究员团队从具有进一步缩合反应的线性聚合物前体开始，通过环境压力干燥工艺成功地获得了具有自增强微结构和最小体积收缩率的超亲水性二氧化硅气凝胶，并且在低表面张力的情况下不使用任何添加剂溶剂。
所得超亲水性二氧化硅气凝胶的比表面积高达1065 m2/g，孔体积高达2.17 cm3/g，密度低至84 mg/cm3，这些值与通过超临界CO2干燥工艺获得的同类值相当。此外，作为应用演示，通过用所得的超亲水性二氧化硅气凝胶微粒模拟功能性生物试剂的载体，已经成功地合成了在极端恶劣的环境（例如，低于-50℃）下具有理想的机械柔韧性和粘合性能的生物启发的水凝胶。我们的工作已为未来具有自增强微结构的高性能亲水性气凝胶迈出了重要的一步，并且所得的超亲水性气凝胶在制备具有仿生特性的功能性水凝胶方面显示出了巨大的潜力。相关论文以题为Silica Aerogels with Self-Reinforced Microstructure for Bioinspired Hydrogels发表在《Langmuir》上。
【主图导读】
示意图1.疏水二氧化硅气凝胶的合成
图1.（a1）和（a2）超亲水性二氧化硅气凝胶粉末（样品1）和颗粒（样品5）的照片图像，比例尺为1厘米。（b1）和（b2）样品1和样品5的接触角图像。（c）气凝胶样品1、2、3、5和干凝胶样品4的N2吸收-解吸等温线。（d）孔径分布 样品1、2、3、5和4的曲线。（e）源自T-TEOS的湿凝胶的TEM图像。（f）源自ESOM的湿凝胶的TEM图像（样品1）。
图2.（a）在25°C和-50°C下，甘油与水比例不同的水凝胶的照片图像，比例尺为1 cm。（b）所示甘油和水比例不同的生物启发的防冻水凝胶的储能模量（E’）。（c）在25，-20，-50和-70°C的温度下，甘油与水的比例为2：1的生物仿制的防冻水凝胶的压缩应变-应力曲线。（d）PVA水凝胶和防冻水凝胶在25°C和-50°C下的弹性稳定性：拉伸，扭曲和弯曲，比例尺为2 cm。（e）关于G-气凝胶功能化的防冻水凝胶的抗冻能力的拟议机制。
图3.（a）H2O，Gly和PVA通过氢键相互作用的理论计算。（b）证明G-气凝胶功能化水凝胶在25°C下的粘合性能，比例尺为2 cm。（c）在-50°C下显示G-气凝胶功能化水凝胶的粘合性能，比例尺为2 cm。（d）G-气凝胶功能化水凝胶对PET和PS膜的粘附力的搭接剪切试验的应力-应变曲线，以及搭接剪切强度试验的示意图（插图）。
【总结】
简而言之，通过APD方法合成了比表面积高达1065m2/g，孔体积高达2.17cm3/g，密度低至84mg/cm3的超亲水性二氧化硅气凝胶。所得的气凝胶构件纳米颗粒通过较粗的颈部而不是较细的颈部连接。此外，通过使用所得的超亲水性二氧化硅气凝胶微粒作为功能性生物试剂的载体，获得了基于PVA的生物启发性水凝胶，即使在极端恶劣的条件下，所得生物启发性水凝胶在-70°C下仍保持了柔韧性和粘合力。APD合成超亲水性二氧化硅气凝胶的方法可能会在该领域树立崭新的认知，而受生物启发的防冻和粘合水凝胶可能会在生物医学和生物电子学中找到有趣的应用。
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参考文献：doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00476
