中國青年學者一作！最新ACS Nano：聚合誘導相分離制備多孔凝膠的關鍵因素找到了！

多孔凝膠——尤其是水凝膠——憑借其可調的力學性能、高含水率和選擇性滲透性，在工程和生物醫學領域應用廣泛。然而，如何在凝膠中精確引入孔隙結構仍是一個挑戰。目前，聚合誘導相分離（PIPS）技術因其能制備大體積材料、無需冗長的致孔劑去除步驟且產物機械強度良好而展現出巨大潛力。但長期以來，觸發和控制PIPS的條件尚不明確，嚴重依賴經驗性測試，阻礙了其理性設計與應用。

近日，?蘇黎世聯邦理工學院Robert W. Style研究團隊系統揭示了控制聚合誘導相分離的關鍵因素，為多孔凝膠的理性設計提供了清晰框架。研究團隊通過探究溶劑質量、聚合物前驅體分子量及濃度對聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）凝膠相分離過程的影響，發現相分離發生在前驅體溶液濃度低于其重疊濃度時。相分離產生的凝膠孔隙結構受溶劑質量調控：良溶劑產生小孔隙，而不良溶劑可形成超大孔隙、高吸附性的超級多孔凝膠。基于此，研究者提出了一個可廣泛應用于多種聚合物/溶劑凝膠體系的相分離預測理論。相關論文以“Controlling Polymerization-Induced Phase Separation in the Synthesis of Porous Gels”為題，發表在ACS Nano上，論文第一作者為Feng Yanxia。

研究首先直觀展示了相分離現象。當使用不同聚合物體積分數（φp）的PEGDA 700水溶液進行紫外光聚合時，低φp的凝膠變得渾濁不透明，而高φp（≥40%）的凝膠則保持透明。通過低溫電子顯微鏡觀察發現，不透明的20% φp凝膠具有約100納米的多分散孔隙結構，而透明的40% φp凝膠則呈現均質狀態。光學吸收度測量進一步量化了這一轉變，并確定相分離的臨界濃度φps約為21.1%。溶脹實驗證實，低于此臨界值的凝膠因內部已充滿水而不發生進一步溶脹，而高于此值的均質凝膠則會顯著吸水溶脹。

圖1. PEGDA水凝膠中的相分離。 (A) PEGDA 700/水前驅體溶液（上圖）及所得水凝膠（下圖）。從左至右聚合物含量遞增（如圖標注）。PEGDA與水完全混溶，因此所有前驅體溶液均為透明。交聯后，低φp的樣品變得不透明（樣品厚2毫米）。(B) 樣品不透明度，以600納米光穿過(A)中樣品的吸光度表征。連續曲線代表最佳擬合的S型曲線。該擬合中心點給出了相分離邊界φps的度量。插圖：φp = 20%、40%水凝膠的低溫電鏡圖像。20%樣品具有約100納米的多分散孔隙，表明存在相分離。相比之下，40%樣品在同一尺度下呈現均質。(C) 制備好的水凝膠浸入水中后的相對溶脹度。低φp樣品（垂直線左側）不溶脹。較高φp樣品發生溶脹。與(B)對比可知，只有透明的樣品發生溶脹。

接下來，研究探討了溶劑和前驅體分子量的影響。實驗發現，相分離臨界濃度φps隨溶劑和PEGDA鏈長不同而變化。對于PEGDA，疏水性較強的溶劑（如異丙醇、2-丁醇）是較差溶劑，其φps較高；而親水性溶劑（如水、乙腈）是良溶劑，φps較低。更短鏈的PEGDA 575比PEGDA 700在更高濃度下發生相分離。關鍵在于，測量得到的重疊濃度φ*與相分離臨界濃度φps呈現出高度線性相關，幾乎相等。這表明，相分離是否發生，根本上取決于前驅體溶液的濃度是否低于其在相應溶劑中的重疊濃度。

圖2. 改變溶劑對凝膠形成過程中相分離的影響。 (A) 不同溶劑和PEGDA鏈長下發生相分離的臨界濃度φps。(B) 不同PEGDA/溶劑組合的重疊濃度φ。插圖：通過稀溶液中粘度的微流變測量計算φ。此處結果為PEGDA 700/水體系。(C) 不同聚合物/溶劑組合的φps與φ*對比顯示出極好的相關性。黑線代表線性擬合。

研究進而闡釋了相分離的微觀機制。當前驅體濃度低于重疊濃度時，溶液中的寡聚分子間距較大。在聚合過程中，無論是由聚合物/溶劑相容性稍差引發的“溶劑誘導脫水收縮”，還是由交聯點增加導致網絡致密化引發的“交聯誘導脫水收縮”，都會驅動寡聚分子成簇，從而留下溶劑填充的孔隙，形成多孔凝膠。而當濃度高于重疊濃度時，寡聚分子在溶液中已相互重疊壓縮，聚合時無需顯著移動，從而形成均質、致密的凝膠網絡。

圖3. 相分離發生在重疊濃度以下。 (A) 低于重疊濃度：φp < φ。當寡聚物聚合時，它們與相鄰寡聚物形成多重連接。這些連接導致寡聚物聚集在一起，形成致密的凝膠區域。局部致密化留下聚合物耗盡的區域。因此，最終結構是致密凝膠和溶劑填充孔隙的相分離混合物。(B) 高于重疊濃度：φp > φ。寡聚物可以連接成網絡而無需局部致密化。因此，最終結構不發生相分離。

兩種不同的脫水收縮機制對最終孔隙結構有顯著影響。通過檢查長鏈PEG在不同溶劑中的溶解度，研究者區分了兩種機制：在PEG不溶的溶劑（如乙醇、2-丁醇、異丙醇）中，主要發生溶劑誘導脫水收縮，形成的凝膠完全不透明，意味著孔隙尺寸與光波長相當或更大；而在PEG可溶的溶劑（如水、乙腈、丙酮）中，主要發生交聯誘導脫水收縮，形成的凝膠呈淡藍色霧狀，表明孔隙遠小于光波長，發生了瑞利散射。這證實了通過調控溶劑質量可以定制凝膠的孔隙尺寸。

圖4. 基于PEG溶解度和所得凝膠不透明度區分溶劑誘導與交聯誘導脫水收縮機制。 (A) 線性12 kDa PEG在各種溶劑中10 vol%溶液的視覺評估，置于黑色背景前以指示溶液澄清度。在水、乙腈和丙酮中的透明表明PEG可溶，而在乙醇、2-丁醇和異丙醇中的不透明表明PEG溶解性差。(B) 相應溶劑中以10 vol% PEGDA 700聚合得到的PEGDA凝膠外觀。在PEG可溶溶劑中形成的凝膠呈半透明淡藍色，而在PEG不溶溶劑中形成的凝膠則完全不透明。

基于孔隙尺寸對溶劑質量的依賴性，研究團隊演示了如何利用異丙醇這類不良溶劑制備超級多孔水凝膠。與在水中形成的PEGDA凝膠（干燥后顯著收縮硬化）不同，在異丙醇中形成的凝膠干燥后收縮更少，質地柔軟如海綿，內部充滿空氣孔隙。當將其底部接觸水時，憑借毛細作用，水在約4分鐘內即被吸至整個樣品高度，顯示出極快的吸收動力學，而水凝膠的溶脹則緩慢得多。通過Washburn定律擬合，估算出該超級多孔干凝膠的平均孔隙半徑約為65納米。

圖5. 超級多孔凝膠的制備與表征。 (A) 在水中（上圖）和異丙醇中（下圖）以φp = 20%制備的PEGDA 700凝膠在環境條件下干燥前后的外觀對比。水凝膠干燥后顯著收縮硬化，而異丙醇凝膠干燥后收縮較少，質地柔軟如海綿。(B) 將干燥的異丙醇凝膠樣品底部接觸水后，吸水前沿高度隨時間的變化。實線為根據Washburn定律對毛細上升的擬合，據此估算平均干孔半徑約為65納米。作為對比，水凝膠的溶脹極其緩慢。

最后，研究者將發現總結為一個具有普適性的預測框架。結合特性粘度與重疊濃度的關系以及描述特性粘度的Mark-Houwink方程，可以預測給定聚合物/溶劑體系中引發PIPS的臨界濃度。該模型成功預測了在不同體系（如PEG-水、PEG-乙醇、聚丙烯酰胺-水）中，使用較低分子量的寡聚體或較差的溶劑更容易在更寬的濃度范圍內發生相分離，這與實驗結果一致。

圖6. 預測的重疊濃度φ*與分子量Mw的關系圖。 針對PEG/水、PEG/乙醇和聚丙烯酰胺/水溶液，預測當使用分子量為Mw的聚合物前驅體在溶液濃度φp < φ*下制備凝膠時，將得到多孔凝膠。

這項研究為通過聚合誘導相分離理性設計多孔凝膠提供了關鍵原則與預測工具。它不僅闡明了相分離發生的核心條件——前驅體濃度需低于重疊濃度，還揭示了溶劑質量在調控孔隙尺寸乃至創造超級多孔結構中的決定性作用。與常規聚合物溶液相分離不同，該研究指出在凝膠體系中，低聚合物含量和較低的交聯間分子量反而更容易誘發相分離。未來，將這一框架拓展至更多樣的凝膠體系（如由相互反應寡聚體構成的混合水凝膠，或由單體和交聯劑溶液形成的化學凝膠），并定量預測相分離產生的孔隙尺寸與分布，將進一步推動多孔凝膠在組織工程、軟體機器人和藥物遞送等領域的應用，并為理解細胞內生物物理相分離等相關過程提供啟示。