Изготовление композитных гидрогелей поли (акриловая кислота) / нитрид бора с превосходными механическими свойствами и быстрым самовосстановлением за счет иерархических физических взаимодействий

Фон

Гидрогели с трехмерными сетками, образованными ковалентными связями и / или физическими взаимодействиями сшивания, содержащие большое количество воды, обладают высокой гидрофильностью, водоудерживающей способностью и исключительной биосовместимостью [1,2,3,4], что позволяет быть одним из самых лучших гидрогелей. популярные биоматериалы. Однако большинство гидрогелей имеют плохие механические свойства, что в значительной степени ограничивает области применения. Хорошо известно, что многие живые ткани, такие как мышцы, связки и кожа, обладают превосходными механическими свойствами и значительной способностью самостоятельно заживлять раны [5,6,7]. Вдохновленные этими живыми тканями, материалы с высокими механическими свойствами и способностью к самовосстановлению были исследованы для различных применений [8, 9], включая тканевую инженерию, высвобождение лекарств, перевязку ран, контактные линзы, датчики и исполнительные механизмы [2, 10, 11,12]. Ihsan et al. сообщили о полиамфолитном гидрогеле, который самовосстанавливается за счет восстановления железных связей на поверхности излома [7]. Zhang et al. разработали самовосстанавливающийся гидрогель ПВС с быстрым процессом самовосстановления за счет водородных связей [13]. Тао и др. подготовили холодостойкий самовосстанавливающийся гидрогель, сшитый динамическими связями на основе катехол-боратного эфира, которые позволяют самовосстановление как при комнатной, так и при низкой температуре [14]. Однако у всех этих самовосстанавливающихся материалов есть общая слабость:плохие механические свойства [15,16,17,18,19] в значительной степени ограничивали области применения.

Чтобы улучшить механические свойства гидрогелей, в сшитые системы были введены некоторые неорганические наноматериалы. Han et al. сообщили о надмолекулярном гидрогеле с использованием нанолистов из оксида графена для снижения температуры самовосстановления [15]. Si et al. использовали новые гидрогели, собранные из нановолокон со сверхвысоким содержанием воды, сверхэластичными и с памятью формы [20]. Гибкий SiO ₂ нановолокна были введены для улучшения механических свойств и ускорения памяти формы и реакции на давление. В частности, Дуан и др. разработаны композитные гидрогели поли (виниловый спирт) / нитрид бора (PVA / BNNS) с улучшенными механическими свойствами [21]. Gao et al. изготовили нанокомпозитный гидрогель, наполненный расслоенным монтмориллонитом, который значительно улучшил удлинение разрушения [22]. Чжун и др. разработали нанокомпозитные гидрогели оксида графена (GO) / поли (акриловой кислоты) (PAA / GO), которые значительно улучшили механические свойства [23]. Новые композитные самовосстанавливающиеся гидрогели с улучшенными механическими свойствами все еще очень востребованы, хотя используемые гидрогели в последние годы значительно продвинулись вперед. Нанолисты нитрида бора, «белый графен», демонстрируют множество превосходных свойств, включая превосходные механические свойства, исключительную химическую инертность и замечательную нетоксичность [24,25,26]. Примечательно, что нанолисты BN с модифицированной поверхностью служили нанонаполнителями в нанокомпозитных гидрогелях, улучшая механические и термические свойства, и об этом сообщалось в недавних работах [27, 28]. Поэтому разработка нового композитного гидрогеля с поверхностно-модифицированными нанолистами BN все еще активно развивается.

Здесь новые композитные гидрогели изготавливаются из поли (акриловой кислоты) (PAA) и нанолиста поверхностно-модифицированного нитрида бора с аминогруппами (BNNS-NH ₂ ) через иерархические физические взаимодействия:координационное взаимодействие металлов на молекулярном уровне между –COOH PAA и ионом трехвалентного железа (Fe ³⁺ ) и наноразмерная водородная связь между –COOH и BNNS-NH ₂ сообщалось. Внедрение BNNS-NH ₂ улучшают механические свойства и ускоряют процесс самовосстановления гидрогелей. Эта работа обеспечивает новый способ приготовления гидрогелей с превосходными механическими свойствами и способностью к быстрому самовосстановлению.

Метод / экспериментальный

Материалы

Персульфат калия (KPS; 99,0%) и FeCl ₃ · 6H ₂ O (99,0%) были приобретены у J&K Chemical Technology, а акриловая кислота (AA; 98,0%) была приобретена у Sigma-Aldrich. Все эти химические вещества использовались в том виде, в котором они были получены, без какой-либо очистки. Родамин B (95,0%) был приобретен у Sigma-Aldrich. BNNS-NH ₂ был получен в нашей предыдущей работе [24]. В экспериментах использовалась деионизированная вода.

Подготовка BNNS-NH ₂ Дисперсия

BNNS-NH ₂ был подготовлен согласно нашей предыдущей работе [24]. Чтобы сделать BNNS-NH ₂ стабильно диспергированный в полимерной сетке, необходимо приготовить BNNS-NH ₂ водные дисперсии. Для получения стабильного BNNS-NH ₂ дисперсии, магнитную мешалку и ультразвуковую баню использовали при комнатной температуре. BNNS-NH ₂ дисперсии с концентрацией 1,0, 0,8, 0,5 и 0,1 мг / мл ^{- 1} были получены по следующей методике. 100 мг, 80 мг, 50 мг и 10 мг BNNS-NH ₂ были добавлены в 100 мл деионизированной воды, соответственно, при магнитной мешалке (1000 об / мин) в течение 24 часов при комнатной температуре на воздухе для получения смесей, а затем смеси обрабатывались ультразвуком (20 кГц) при комнатной температуре в течение 2 часов на воздухе. для получения стабильных дисперсий. Для предотвращения потери водного раствора полученные дисперсии хранили в запаянных сосудах с разными отметками для последующего приготовления самовосстанавливающихся гидрогелей.

Приготовление самовосстанавливающегося гидрогеля

PAA как обычный полимер с большим количеством групп –COOH позволяет установить количество внутрицепочечных и межцепочечных водородных связей, которые придают полимеру превосходную эластичность и благоприятную прочность [29]. Кроме того, координационные взаимодействия металлов устанавливаются между –COOH PAA и ионом трехвалентного железа (Fe ³⁺ ). Два вида обратимых нековалентных связей наделили гидрогель свойством самовосстановления. Гидрогели, сшитые нековалентными связями, всегда обладают худшими механическими свойствами. Чтобы повысить прочность гидрогеля, BNNS-NH ₂ был введен в трехмерную сетку полимера, которая установила водородные связи между –NH ₂ из BNNS-NH ₂ и –COOH ПАА. Здесь композит PAA / BNNS-NH ₂ гидрогели были сокращены как B _x P _y , в котором B представляет собой BNNS-NH ₂ , x - содержание BNNS-NH ₂ (мг мл ^{- 1} ), P означает PAA / BNNS-NH ₂ композитный гидрогель, а y относится к содержанию воды в ПАК / BNNS-NH ₂ композитный гидрогель (массовая доля, мас.%). Гидрогели были приготовлены в соответствии с процедурой, описанной ниже. Обычно 10 мл AA, 0,25 г FeCl ₃ · 6H ₂ O (1,05 мол.% AA) и 0,1 г KPS (0,25 мол.% AA) растворяли в BNNS-NH ₂ дисперсии с различными концентрациями или деионизированная вода при перемешивании магнитной мешалкой (1000 об / мин) при комнатной температуре в течение 10 мин на воздухе с образованием гомогенной смеси. После этого N ₂ через смесь барботировали для удаления кислорода (10 мин), а затем проводили полимеризацию при 25 ° C на водяной бане в течение 6 часов с образованием гидрогелей. Гидрогели, полученные в соответствии с вышеупомянутой процедурой и параметрами из BNNS-NH ₂ дисперсии с концентрацией 1,0, 0,8, 0,5 и 0,1 мг / мл ^{- 1} были обозначены как B ₁ P ₉₀ , В _0,8 P ₉₀ , В _0,5 P ₉₀ , и B _0,1 P ₉₀ соответственно, а гидрогели, полученные из деионизированной воды, получили название B ₀ P ₉₀ .

Хорошо известно, что гидрогели с разным содержанием воды обладают совершенно разными механическими свойствами. Чтобы охарактеризовать влияние содержания воды на механические свойства гидрогелей, гидрогели с различным содержанием воды были приготовлены следующим образом. Во-первых, B _x P ₉₀ гидрогели были приготовлены в соответствии с вышеупомянутой процедурой и параметрами. Затем, как приготовленный B _x P ₉₀ гидрогели выдерживали на воздухе при комнатной температуре в течение разного времени в зависимости от конечного содержания воды в гидрогелях. При этом полученные высыхающие гидрогели с различным содержанием воды были обозначены как B _x . P ₇₀ , B _x P ₅₀ , и B _x P ₂₅ , соответственно. Содержание воды рассчитывалось по формуле:содержание воды = W _w / Вт _t , где W _w - вес воды и W _t - это весь вес гидрогеля. С другой стороны, плотности сшивания B _x P ₉₀ гидрогели были рассчитаны на основе результатов реологических измерений, и хорошо известно, что более высокая плотность сшивания приводит к более надежным механическим свойствам. Чтобы проверить теорию, необходимо провести испытания на растяжение. Однако B _x P ₉₀ гидрогели были настолько мягкими, что универсальная электрическая машина для испытаний материалов не могла распознать образец без нагрузки, поэтому требовалось изготовление композитных гидрогелей с более низким содержанием воды. Гидрогели с разным содержанием воды были разрезаны на различные формы или размеры для следующих различных испытаний.

Механический тест

Чтобы охарактеризовать механические свойства гидрогелей, полученные гидрогели были разрезаны на хлопья (50 мм × 2 мм × 2 мм) и испытаны на универсальной электрической машине для испытания материалов с тензодатчиком 200 Н при скорости вращения не менее 50 мм ^{- 1} при 25 ° C и влажности около 45%. Напряжение при растяжении ( σ ), представляющая прочность, рассчитывалась по формуле: σ = F / ( а × b ), где F , а , и b были сила нагрузки и ширина и толщина гидрогелей соответственно. Деформация ( ε ), представляющая растяжимость, была определена как изменение длины, проиллюстрированное формулой: ε =( l - l ₀ ) / l ₀ × 100%, где l и l ₀ представляют длину после и до тестирования, соответственно. Жесткость характеризовали модулем Юнга, который получали из наклона кривой напряжения-деформации при низких деформациях. Вязкость образцов была проиллюстрирована как площадь под кривыми напряжения-деформации. Испытания на циклическое растяжение были выполнены в тех же экспериментальных условиях, которые были направлены на получение рассеиваемой энергии. Рассеиваемая энергия характеризовалась площадью между кривыми нагрузки-разгрузки и X ось.

Характеристика

Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR) были выполнены для записи характеристик FTIR образцов, которые были записаны на спектрометре Thermo Scientific Nicolet 6700 в режиме ослабленного полного отражения (ATR) с разрешением 4 см ^{- 1.} в диапазоне 400–4000 см ^{- 1} . Морфологию гидрогелей после процесса замороженной сушки наблюдали на сканирующих электронных микрофотографиях (SEM, Carl Zeiss AG, ZEISS EV0 MA15). Для анализа вязкоупругости гидрогелей и расчета плотности сшивания реологические измерения были выполнены с использованием реометра (HAAKE MARS III Thermo Fisher Scientific Limited, Китай) для измерения модулей накопления (G ') и модулей потерь (G »). Испытания на растяжение были проведены для анализа механических свойств образцов, которые проводились с использованием универсальной электрической машины для испытания материалов с тензодатчиком 200 Н (Instron 2360).

Результаты и обсуждение

PAA / BNNS-NH ₂ композитные гидрогели были просто образованы полимеризацией на месте АК в присутствии Fe ³⁺ и BNNS-NH ₂ . Образовавшиеся макромолекулярные цепи ПАК были сшиты за счет иерархических физических взаимодействий:координационного взаимодействия металлов между карбоксилами (–COOH) ПАК и Fe ³⁺ в молекулярном масштабе, и взаимодействие водородных связей между –COOH PAA и –NH ₂ из BNNS-NH ₂ в наномасштабе, что приводит к образованию трехмерных сетей (Схема 1).

Схема, иллюстрирующая образование PAA / BNNS-NH ₂ композитный гидрогель с самовосстанавливающейся способностью

Два разных типа физических взаимодействий внутри PAA / BNNS-NH ₂ Композитные гидрогели впервые были обнаружены методом ИК-Фурье спектроскопии. Из результатов на рис. 1, PAA показывает характерное растяжение (–C =O растяжение) при 1690 см ^{- 1} , которая сместилась на 1620 см ^{- 1} в PAA / BNNS-NH ₂ композитный гидрогель. Этот сдвиг указывает на существование взаимодействий водородных связей между –COOH PAA и –NH ₂ из BNNS-NH ₂ [30, 31]. Наличие водородной связи можно подтвердить по тому факту, что характерные пики при 3400 см ^{- 1} для –COOH в композитном гидрогеле стало менее очевидным [32, 33]. Пик на 3230 см ^{- 1} может быть отнесен к валентному колебанию N – H в композитном гидрогеле. Координационное взаимодействие металлов выявлялось по пику при 620 см ^{- 1} . как в гидрогеле ПАК, так и в композитном гидрогеле, что демонстрирует координационное взаимодействие металлов между Fe ³⁺ и –COO ^- была сформирована в сетевой системе [34]. Растяжение B – N в плоскости 1388 см ^{- 1} и внеплоскостные изгибные колебания B-N-B при 1780 см ⁻¹ видно из композитного гидрогеля (рис. 1а), подтверждая присутствие BNNS-NH ₂ .

FTIR-спектры a композитный гидрогель и b гидрогель PAA

После сушки морфологию этих гидрогелей наблюдали с помощью SEM. Пористые структуры наблюдались в гидрогеле ПАК (рис. 2а, б) и B _x P _y композитный гидрогель (рис. 2в). Более крупные поры имеют средний диаметр около десятков микрометров, а более мелкие поры имеют средний диаметр в наномасштабе. Наличие пор может обеспечить гидрогелям высокую растяжимость и сжимаемость [35]. По сравнению с гидрогелями PAA, поры в композитном гидрогеле более изолированы и однородны по размеру (рис. 2c). И BNNSs-NH ₂ можно наблюдать на SEM-изображении (рис. 2d) гидрогеля, содержащего BNNS-NH ₂ и были указаны стрелками, а изображение на вставке дополнительно подтвердило присутствие BNNS-NH ₂ [34]. Чтобы понять эффекты двух типов взаимодействий, испытания на растяжение композитных гидрогелей с различными BNNS-NH ₂ концентрации, и результаты для этих гидрогелей с различным содержанием воды показаны на рис. 3a – c. Без BNNS-NH ₂ , напряжение разрушения B ₀ P ₇₀ гидрогель составлял около 406 кПа, а напряжение изгиба B _0,1 P ₇₀ увеличена до 526 кПа за счет введения небольшого количества BNNS-NH ₂ . В _0,5 P ₇₀ показывает напряжение разрушения 1311 кПа, что почти в три раза превышает B ₀ P ₇₀ и два раза до B _0,1 P ₇₀ , как показано на рис. 3а. Результат намного превзошел предыдущие композитные гидрогели в опубликованной работе [34]. Это означает, что водородная связь, образованная между –COOH ПАК и –NH ₂ из BNNS-NH ₂ значительно улучшили механические свойства [36]. Однако напряжение разрушения уменьшилось, когда BNNS-NH ₂ концентрация продолжала расти. Напряжение разрушения становится даже ниже, чем у B ₀ P ₇₀ , что указывает на то, что оптимальный баланс координационных взаимодействий металлов и водородных связей достигается в BNNS-NH ₂ концентрация 0,5 мг мл ^{- 1} . Соответственно, наибольшие напряжения разрушения были реализованы на том же БННС-NH ₂ концентрация (0,5 мг мл ^{- 1} ) в составе композитных гидрогелей с содержанием воды 50 и 25 мас.% (рис. 3б, в), что было важным фактором, влияющим на механические свойства гидрогеля [37, 38]. Напряжения разрушения композитных гидрогелей были значительно улучшены (дополнительный файл 1:Рисунок S1-S5), когда содержание воды снизилось до 50 мас.% И до 25 мас.%, Что объясняется узким пространством между цепями при низком содержании воды [35]. Примечательно, что B _x P _y гидрогели выдерживали растяжение, образование узлов, изгиб и скручивание даже при высокой степени деформации (рис. 3d – g, дополнительный файл 1:рис. S6). Добавление BNNS-NH ₂ может немного изменить pH раствора из-за присутствия –NH ₂ группы, что приводит к изменению константы ассоциации между –COOH и Fe ³⁺ . Баланс между координационными взаимодействиями металлов и водородными связями зависел от BNNS-NH ₂ концентрация с постоянным содержанием Fe ³⁺ . Превосходные механические свойства композитного гидрогеля являются результатом оптимального баланса между координационным взаимодействием металлов в молекулярном масштабе и взаимодействием водородных связей в наномасштабе [36].

SEM-изображения a , b Гидрогель ПАК и c , d композитный гидрогель. BNNS-NH ₂ был отмечен стрелками в ( d ) и вставленное изображение в ( d ) - увеличенное изображение BNNS-NH ₂

Кривые растяжения композитных гидрогелей: a B _x P ₇₀ , b B _x P ₅₀ , и c B _x P ₂₅ . Цифровая фотография композитных гидрогелей: d оригинал, e растянуто, f согнуты, и g растягивается после завязывания узла

Эффекты BNNS-NH ₂ концентрация на механических свойствах B _x P ₉₀ были изучены реологическими измерениями (рис. 4а). Для всех образцов их модули запоминания (G ’) всегда выше, чем соответствующие модули потерь (G”) в диапазоне частот от 0,1 до 100 рад / с ^{- 1} , что указывает на формирование трехмерных сетей [34, 36]. С увеличением частоты G ’и G” увеличиваются, но увеличение G ”более резкое, демонстрируя их тонкое поведение [34]. В _0,5 P ₉₀ показал самый высокий G ’, что согласуется с результатами испытаний на растяжение. Из равновесного модуля сдвига ( G _e ), плотность сшивки ( N ) этих гидрогелей можно рассчитать по формуле 1 [39,40,41].

а Частотная зависимость модулей накопления (G ’) и модулей потерь (G”) B _x P ₉₀ при деформации 0,1%. б Плотность сшивки B _x P ₉₀ рассчитывается по равновесному модулю сдвига

Здесь G _e , R , и T - террасное значение G ’, газовой постоянной и абсолютной температуры соответственно. Плотность сшивки показана на фиг. 4b. При увеличении концентрации BNNS-NH ₂ , плотность сшивки увеличилась, что демонстрирует, что BNNS-NH ₂ также служил в качестве сшивающего агента в композитных гидрогелях за счет взаимодействия водородных связей между –COOH PAA и –NH ₂ из BNNS-NH ₂ . Однако плотность сшивки снижалась, когда BNNS-NH ₂ концентрация более 0,5 мг / мл ^{- 1} что соответствовало результатам по механическим свойствам [40]. Показано, что избыток BNNS-NH ₂ приводит к воссоединению нанолистов, что ухудшает улучшение композитных гидрогелей, таких как B _0.8 P _y и B _1.0 P _y [41, 42].

Чтобы получить гидрогели с превосходными механическими свойствами, оптимальный баланс взаимодействий водородных связей и координационных взаимодействий металлов может быть достигнут путем регулирования BNNS-NH ₂ концентрации при содержании Fe ³⁺ постоянно. Вязкость и модуль Юнга, представляющие жесткость, показаны на Рис. 5a и Рис. 5b соответственно [24, 36, 37]. Из рис. 5а, гидрогели становились жесткими с уменьшением содержания воды или повышением BNNS-NH ₂ . концентрация до 0,5 мг мл ^{- 1} в соответствии с результатами испытания на растяжение (дополнительный файл 1:рисунок S7).

а Модуль Юнга и b ударная вязкость композитных гидрогелей с разным содержанием воды и BNNS-NH ₂ концентрации

Вязкость показана на рис. 5b. Ясно, что ударная вязкость увеличивается с уменьшением содержания воды, подобно тенденции модуля Юнга. Без BNNS-NH ₂ , прочность B ₀ P ₇₀ было около ~ 0,5 МДж м ^{- 3} , и с BNNS-NH ₂ , ударная вязкость B _0,5 P ₇₀ увеличилась до ~ 4,7 МДж м ^{- 3} , почти в восемь раз больше, чем у B ₀ P ₇₀ . В _0,5 P ₂₅ показал наивысший модуль Юнга ~ 17,9 МПа, максимальную прочность на разрыв ~ 8491 кПа и максимальную вязкость ~ 10,5 МДж м ^{- 3} , что намного выше, чем у B ₀ P ₂₅ .

Жесткость большинства полимерных гидрогелей уменьшается с увеличением соответствующей ударной вязкости. Согласно модели Лейка-Томаса [42, 43], ударная вязкость увеличивается, но жесткость уменьшается с уменьшением плотности сшивки. В этой работе гидрогель нового типа с высокой жесткостью и высокой вязкостью (B _0,5 P _y ) (Рис. 5), который отличается от обычных гидрогелей (высокая жесткость / низкая вязкость или низкая жесткость / высокая вязкость). Исключительные свойства можно приписать существованию иерархических взаимодействий:координационные взаимодействия металлов в молекулярном масштабе и водородные связи в наномасштабе.

Циклические испытания на растяжение B _x P ₇₀ и B _x P ₅₀ проводились при деформации 200% (рис. 6а, б). Очевидные петли гистерезиса наблюдались для B _x P ₇₀ и B _x P ₅₀ , и B _x P ₅₀ показали гораздо большие петли гистерезиса, что указывает на содержание воды, определяющее диссипацию энергии из-за большего количества водородных связей, устанавливаемых между полимерными цепями из-за сморщенной сетки [37]. Рассеиваемая энергия увеличивается с увеличением BNNS-NH ₂ концентрации, а максимальное значение было получено при концентрации 0,5 мг / мл ^{- 1} из-за установления многочисленных водородных связей между BNNS-NH ₂ и цепи ПАК [34]. Однако рассеиваемая энергия уменьшалась, когда BNNS-NH ₂ концентрация увеличена до 0,8 и до 1,0 мг / мл ^{- 1} , благодаря высокой концентрации BNNS-NH ₂ что приводит к агрегации нанолистов [41, 42]. Это объяснение также подходит для конкретных кривых напряжение-деформация и результатов реологии B _x P _y гидрогели.

Циклическое растяжение кривых нагружения-разгрузки а B _x P ₇₀ и b B _x P ₅₀ ; рассеиваемая энергия c B _x P ₇₀ и d B _x P ₅₀

Быстрый процесс самовосстановления может быть реализован без каких-либо внешних стимулов на основе многочисленных физических взаимодействий:координационных взаимодействий металлов и водородных связей. Как показано на рис. 7a – c, исходный гидрогель был разрезан на три части (две части были окрашены в красный цвет с помощью родамина B, чтобы различить рубцы поврежденного гидрогеля), а затем они контактировали с поврежденными поверхностями. Без какого-либо внешнего воздействия разрезанный гидрогель контактировал в течение 10 минут при комнатной температуре, и заживший гидрогель можно было растянуть до определенного напряжения. Эффективность самовосстановления можно рассчитать по соотношению напряжения разрушения заживших гидрогелей и исходных гидрогелей. Исходный B ₀ P ₇₀ показали напряжение разрушения ~ 410 кПа, а соответствующий заживший гидрогель показал напряжение разрушения всего ~ 37 кПа, что указывает на то, что эффективность самовосстановления составляла всего 9%. Для сравнения, напряжение перелома исходного и восстановленного B ₁ P ₇₀ составляли около ~ 203 кПа и ~ 166 кПа, соответственно, а эффективность самовосстановления составляет около 81%, что значительно выше, чем у гидрогелей без BNNS-NH ₂ . Точно так же, как показано на рис. 7e, эффективность самовосстановления B ₀ P ₅₀ гидрогель составлял 31,8%, в то время как B ₁ P ₅₀ гидрогель 94,6%. Этот результат указывает на то, что наличие наноразмерных водородных связей между BNNS-NH ₂ и полимерные цепи ПАК в наномасштабе увеличивали способность к самовосстановлению, приписывая, что содержание обратимых связей является ключевым фактором, влияющим на эффективность самовосстановления, и хорошо известно, что эффективность самовосстановления пропорциональна содержанию обратимых связей. облигации [16, 21, 36, 42]. Однако, в то время как содержание воды было уменьшено до 25 мас.% (Дополнительный файл 1:Рисунок S8), эффективность самовосстановления резко снизилась, поскольку движение Fe ³⁺ было затруднено при таком низком содержании воды. Это предположение подтверждалось тем фактом, что лечебная эффективность B _x P ₉₀ было намного лучше, чем с другим содержанием воды, и потребовалось всего 10 минут по той причине, что более высокое содержание воды делает Fe ³⁺ легко мигрировать и легко восстанавливать водородные связи [36].

Процесс самовосстановления B _0,5 P ₉₀ ( а ) гидрогель разрезали на три части (две концевые части были окрашены в красный цвет с помощью родамина B). б Строго соедините три части по одной. c После 10 мин заживления заживший гидрогель можно растягивать. г Напряжения разрушения исходной B _x P ₇₀ и вылечил B _x P ₇₀ . е Напряжения разрушения исходной B _x P ₅₀ и вылечил B _x P ₅₀ Время заживления - 1 час

Выводы

Таким образом, новые композитные гидрогели были изготовлены посредством иерархических физических взаимодействий:координационного взаимодействия металлов в молекулярном масштабе и водородной связи в наномасштабе. Гидрогели обладают повышенной жесткостью (около 17,9 МПа) и ударной вязкостью (около 10,5 МДж м ^{- 3} ), расширение и способность к самовосстановлению. Обратимость координационного взаимодействия металлов и взаимодействия водородных связей отвечает за улучшенные механические свойства и эффективность самовосстановления. В сочетании с простотой приготовления, улучшенными механическими свойствами и способностью к самовосстановлению эти композитные гидрогели подходят для многих потенциальных применений.

Сокращения

B _x P _y :

Композитный гидрогель с БННС-NH ₂ концентрация x мг мл ^{- 1} и содержание воды y вес%

Fe ³⁺ :

Ион железа

FTIR:

Инфракрасное преобразование Фурье

PAA / BNNS-NH ₂ :

Нанолисты поли (акриловой кислоты) / нитрида бора с модифицированной поверхностью

PAA / GO:

Оксид графена / поли (акриловая кислота)

SEM:

Сканирующие электронные микрофотографии