寧波材料所在水下自愈合聚氨酯方面取得進展
自愈合聚氨酯以動態(tài)鍵作為自愈合驅(qū)動力，能夠從結構和功能損傷中自我愈合，從而增加使用壽命，提高可靠性和耐用性。但是，水分子會干擾動態(tài)鍵的可逆重排過程，進而降低自愈合速度，難以滿足水下機器人、植入式醫(yī)療器械等場景的使用需求。在這一需求下，迫切需要開發(fā)一種能夠室溫水下自愈合的聚氨酯。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊長期從事生物基、自愈合聚氨酯的研究（Eur Polym J, 2025, 224, 113709; Adv Funct Mater, 2024, 34, 2402380; Nat Commun, 2024, 15, 2129; Chem Eng J, 2024, 497, 155467; ACS Appl Polym Mater, 2024, 6, 4070; Chem Eng J, 2024, 479,147823; Small, 2023, 19, 2303215; Prog Chem, 2023, 35, 1275; Macromol Biosci, 2023, 23, 2300111; Nat Commun, 2022, 13, 7699; Adv Funct Mater, 2022, 32, 2106341; Chem Eng J, 2021, 420, 127691; Chem Eng J, 2021, 410, 128363; Adv Funct Mater, 31, 2009869; ACS Appl Mater Inter, 2020, 12, 11072）。近期，該團隊朱錦研究員和陳景研究員聯(lián)合韓國科學技術院（KAIST）應鄔彬副教授在高分子領域期刊Macromolecules上發(fā)表題為“Red sea star-inspired, rapid underwater self-healing polyurethane based on dual hydrophobic units and tandem dynamic bonds”的論文（DOI: 10.1021/acs.macromol.4c03007），提出“雙重疏水防護結合串聯(lián)自愈驅(qū)動”的分子設計方案，并合成了能夠在室溫水下自愈合的聚氨酯。
受紅海星啟發(fā)，該團隊開發(fā)了一種在室溫下具有水下自愈合能力的聚氨酯（圖1）。以含有烷基側鏈的聚酯二醇作為軟段，同時在硬段結構引入氟基團，烷基側鏈和氟基團分別從軟段和硬段結構進行雙重疏水防護。當材料在水下受損時，由于存在致密的疏水屏障，該材料可以排斥水分子。同時在分子結構中引入串聯(lián)型的二硫鍵和亞胺鍵作為自愈合驅(qū)動力，在不受水分子干擾的情況下通過串聯(lián)的雙重動態(tài)鍵的鍵交換實現(xiàn)水下自愈合。同時，通過優(yōu)化疏水單元和動態(tài)鍵單元的比例來制備具有最佳水下自愈合能力的聚氨酯。
在常規(guī)水下環(huán)境中，自愈合12小時后，劃痕完全消失（圖2）。激光共聚焦顯微鏡圖像也從三維立體角度證實了DSFPU-3在室溫下愈合12小時后，實現(xiàn)完全自愈合，自愈合速率為33.33 μm/h，自愈合效率達98%。同時，DSFPU-3樣條在水中自愈后可承受500 g砝碼的重量，而不發(fā)生斷裂。本研究提出了一種合成快速室溫水下自愈合聚氨酯的新策略，揭示了“雙重疏水防護結合串聯(lián)自愈驅(qū)動”的分子結構設計與水下自愈合性能之間的影響規(guī)律，對推動自愈合聚氨酯在潮濕、水下等復雜環(huán)境下的應用具有重要意義。
寧波材料所博士后李鳳龍為論文第一作者，寧波材料所陳景研究員和韓國科學技術院應鄔彬副教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金資助項目（U21B2093、U23A20691）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項（2022Z139）和韓國國家研究基金會Brain Pool項目（RS-2023-00222619）的支持。?
圖1 (a) 紅海星受損后分泌含氫鍵與動態(tài)二硫鍵的酶，實現(xiàn)水下自愈合；(b) DSFPU通過氟基團與烷基側鏈排除水分子干擾，串聯(lián)型二硫鍵與亞胺鍵驅(qū)動實現(xiàn)水下自愈合
圖2 (a)DSFPU-3在水下自愈合過程的偏光顯微圖像；(b) DSFPU-3在水下自愈合過程的三維激光共聚焦圖像；(c) DSFPU-3在水下自愈合不同時間的劃痕深度變化；(d) DSFPU在水中不同溫度下的自愈合速度；(e) DSFPU-3在水下愈合后可提起500g砝碼重量
（高分子與復合材料實驗室 李鳳龍）
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