聚合物之间的异常相互作用解释了水凝胶的形成

许多人在不知情的情况下使用水凝胶。例如，作为尿布中的高吸收剂，水凝胶吸收大量液体。在此过程中，最初干燥的材料变得果冻状，但它不会变湿。有些人将肿胀材料放在眼球上-软性隐形眼镜也只是水凝胶。果冻和其他日常材料也是如此。

水凝胶在科学中也发挥着作用。从化学角度来看，它们是形成空腔的长而三维交联的聚合物分子。在内部，它们可以吸收和保持水分子。

在前维尔茨堡化学教授RobertLuxenhofer的工作组中，正在测试水凝胶对生物制造的适用性：例如，水凝胶可以作为支架结构用于3D打印，细胞可以附着在上面。例如，通过这种方式，可以生产用于医学研究和再生疗法的人造组织。

水凝胶形成是一个难题

在这项研究中，Luxenhofer团队的LukasHahn博士注意到一种不寻常的水凝胶形成形式。他在用于纳米医学的聚合物中观察到它，特别是用于药物输送。

这些聚合物在40度的水中排列成球形纳米颗粒。当水冷却到32度以下时，球体聚集成蠕虫状结构并形成凝胶。加热后，它再次溶解。

“这种行为在合成聚合物中非常罕见，完全出乎意料，”现在在赫尔辛基大学任教和研究的RobertLuxenhofer解释说。如果确实发生，凝胶形成通常是由于氢键-涉及氢原子的极性官能团之间的吸引力，具有稳定作用。例如，这种相互作用对于蛋白质的结构和功能至关重要。

然而，我们在这里处理的聚合物的情况完全不同。就其化学结构而言，它们不能相互形成氢键。显然，研究人员偶然发现了一种未知的凝胶形成机制。

核磁共振波谱的突破

为了解决这个难题，RobertLuxenhofer寻求与Julius-Maximilians-UniversitätWürzburg(JMU)的化学教授Ann-ChristinPöppler合作，他是表征聚合物纳米颗粒的专家。通过与其他研究小组的合作，她的团队仔细研究了凝胶形成的特殊形式-一个复杂的难题，花了两年的时间才解决。

“我们能够阐明未知的机制，因为我们使用了各种各样的分析工具。然而，最终，突破来自各种核磁共振波谱方法，“JMU化学家解释道。她的博士生TheresaZorn发现了在这种情况下导致凝胶形成的原因：非水溶性聚合物构建块的水溶性和苯基环的酰胺基团之间的特定相互作用。这些相互作用导致球形纳米颗粒凝结并重组成蠕虫状结构。

这些发现可以通过理论计算得到证实：JMU教授ChristophSotriffer的前博士生JosefKehrein博士是分子之间三维相互作用的计算机辅助建模专家，成功地做到了这一点。他现在也在赫尔辛基工作。

研究结果已发表在ACSNano上。

后续步骤

我们该何去何从?研究人员确信，新发现的水凝胶形成机制也与其他聚合物及其与生物组织的相互作用有关。

因此，该团队希望对聚合物进行化学修饰，以了解这如何影响其性能和水凝胶。可能会特别影响凝胶温度以及凝胶的强度和耐久性。从改性材料中，人们可以选择最适合用于生物制造的材料。

Ann-ChristinPöppler的团队还希望研究纳米颗粒以及水凝胶是否可以装载“客体分子”。这对于医疗应用可能很有趣-如果凝胶在体温下溶解，它可能会释放先前加载的活性物质。植入物、石膏或隐形眼镜形式的应用是可以想象的。