化工生物学院鲁希华教授课题组构建 “软球”凝胶光子晶体固定化新方法

近日，我校化学化工生物工程学院鲁希华教授课题组首次实现利用温度触发的溶胶-凝胶化转变过程将温敏性纳米水凝胶光子晶体固定化，相关结果以《利用原位热致溶胶-凝胶化过程实现温敏性凝胶光子晶体固定化》（In-situ Formed Thermogelable Hydrogel Photonic Crystals Assembled by Thermosensitive IPN Nanogels）为题发表于《材料视野》（Materials Horizons），并被选为封面文章。鲁希华教授、李雪婷博士为共同通讯作者，博士生李晓晓为第一作者，东华大学为第一单位。

具有温度响应性的基于聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm-based）的“软球”凝胶光子晶体（CPCs），在相变温度以上，由于颗粒急剧收缩，导致结构色以及晶体结构的消失。目前，常规解决方法是凝胶固定化，即将凝胶光子晶体通过不可逆的共价键“嵌入”另一个水凝胶基质中。该方法制备过程复杂、低效且耗时。因此，开发一种有效的方法来固定脆弱的基于聚N-异丙基丙烯酰胺的凝胶光子晶体具有挑战性和重大意义。

除了自组装为凝胶光子晶体，当温度升至其相变温度以上时，由于聚N-异丙基丙烯酰胺疏水基团之间的物理交联作用，基于聚N-异丙基丙烯酰胺纳米水凝胶可发生溶胶-凝胶化转变。当温度降至其相变温度以下时，纳米水凝胶呈现可流动的液体状态；当温度高于相变温度时，纳米水凝胶瞬时变为不可流动的宏观水凝胶状态，且这个相态转变过程是可逆的。

针对上述基于聚N-异丙基丙烯酰胺纳米水凝胶的特点，课题组首次提出了在保持凝胶光子晶体有序结构前提下，利用温度触发的溶胶-凝胶化转变将基于聚N-异丙基丙烯酰胺纳米水凝胶光子晶体固定化。

  （PNIPAm/PAA IPN纳米水凝胶的制备及其光子晶体固定化过程）

研究团队首先制备了聚N-异丙基丙烯酰胺纳米水凝胶，以该纳米水凝胶为母液，引入丙烯酸（AA）单体，并引发原位聚合，制备了具有互穿网络（IPN）结构的聚N-异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酸（PNIPAm/PAA）纳米水凝胶。待该纳米水凝胶自组装为凝胶光子晶体后，将温度升至相变温度以上，通过聚N-异丙基丙烯酰胺疏水基团之间的物理交联作用使具有互穿网络结构的纳米水凝胶发生原位溶胶-凝胶化转变。由于聚丙烯酸网络抑制了聚N-异丙基丙烯酰胺网络的收缩，因此，具有互穿网络结构的凝胶光子晶体在相变温度以上仍具有高度有序结构，且实现了晶体结构在溶胶-凝胶化过程中被固定。

此外，该研究团队还探讨了固定化具有互穿网络结构的凝胶光子晶体的条件，及凝胶光子晶体的浓度对凝胶化温度的影响。该研究的意义在于提供了一种实现凝胶光子晶体结构固定化的新方法，这将是“软球”凝胶光子晶体领域的一个重要研究进展。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的资助。

（纳米水凝胶溶胶-凝胶化过程将凝胶光子晶体固定化）

文章链接： https://doi.org/10.1039/D0MH01886D