原文献：Swelling-strengthening hydrogels by embedding with deformable nanobarriers

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18308-9

作者：Feng Wu , Yan Pang & Jinyao Liu

摘要：Biological tissues, such as muscle, can increase their mechanical strength after swelling due to the existence of many biological membrane barriers that can regulate the transmembrane transport of water molecules and ions. Oppositely, typical synthetic materials show a swelling-weakening behavior, which always suffers from a sharp decline in mechanical strength after swelling, because of the dilution of the network. Here, we describe a swellingstrengthening phenomenon of polymer materials achieved by a bioinspired strategy. Liposomal membrane nanobarriers are covalently embedded in a crosslinked network to regulate transmembrane transport. After swelling, the stretched network deforms the liposomes and subsequently initiates the transmembrane diffusion of the encapsulated molecules that can trigger the formation of a new network from the preloaded precursor. Thanks to the tough nature of the double-network structure, the swelling-strengthening phenomenon is achieved to polymer hydrogels successfully. Swelling-triggered self-strengthening enables the development of various dynamic materials.

生物组织存在许多生物膜屏障，可以调节水分子和离子的跨膜运输，可以在肿胀后增加其机械强度。典型的合成材料表现出膨胀-减弱的行为，由于膨胀网络的稀释，膨胀后的机械强度总是急剧下降。因此研究制备一种膨胀强化现象的聚合物材料。脂质体膜纳米载体共价嵌入在一个交联网络中，以调节跨膜转运。膨胀后，拉伸的网络使脂质体变形，随后启动被包裹分子的跨膜扩散，从而触发预加载的前体形成一个新的网络。由于双网络结构的坚固性，聚合物成功地对水凝胶实现了膨胀强化现象。用双键修饰的脂质体通过水自由基聚合共价并入第一个网络。交联剂的膨胀触发跨膜转运导致预加载前驱体和扩散交联剂之间的无催化剂的高效点击反应，形成第二聚合物网络。因此，当双网络结构的形成所导致的强度增加超过了膨胀造成的强度损失时，膨胀后的机械强度可以超过初始ssh。Do-3、6、9-三氧十烷（N3-PEG3-N3）和二苯并环辛烯端盖4臂聚乙二醇（Tetra-PEG-DBCO）分别作为可点击交联剂和第二网络的前体。SSHs是通过在聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中预加载四PEG-DBCO凝胶获得的，通过在凝胶内预加载给定数量的Tetra-PEG-DBCO来研究点击反应。以下是制备方法：

四聚peg-DBCO的合成

通过DBCO酸与四聚乙二醇-胺42的一步酰胺化反应合成了预载前体四-peg-DBCO。将DBCO酸、HATU和无水DMF加入干瓶中，在搅拌下得到浅黄色溶液。然后将四聚胺加入无水DMF中。加入无水DIEA后，将反应混合物搅拌。然后，将混合物滴加入冷Et2O中，搅拌，得到白色固体粉末。再用Et2O洗涤三次，真空干燥，得到淡黄色粉末。

SSHs、PAM和PAM/PEG水凝胶的制备

以浓缩NALip溶液为溶剂，将AM、交联剂MBAA、引发剂APS、催化剂TEMED和TetraPEG-DBCO在室温氮气手套箱中溶解得到预凝胶溶液。在聚四氟乙烯模具中聚合30 min后，获得SSHs。

如图e所示，N3-PEG3-N3在释放后与Tetra-PEG-DBCO发生反应。由4.5 wt %的四酯-peg-DBCO和22.4µmol/ml的n3-PEG3-N3组成的优化SSH成功实现了膨胀强化行为根据给定膨胀度下的跨膜扩散动力学和点击反应，可以通过调节第二网络的荷载来调节膨胀后的机械强度来完成膨胀强化现象。

图：膨胀引发的跨膜转运和点击反应。

结论：经DBCO参与反应制备的ssh具有良好的膨胀强化性能。在控制水凝胶中存在膨胀-弱化现象。随着膨胀比增加，压应力在膨胀前能够保持在凝胶的相同水平。此外，膨胀的PAM/PEG水凝胶的抗压强度也低于SSH。这可以解释为在SSH中存在大量的交联脂质体，这增加了凝胶的机械强度。利用Tetra-PEG-DBCO样品，证明释放的N3-PEG3-N3与预加载的Tetra-PEG-DBCO之间发生了无催化剂的点击反应。实验过程与上述膨胀触发的跨膜转运试验相似。