هیدروژل های شبکه دوتایی
محورهای موضوعی : پليمرها و نانوفناوری
1 - دانشگاه اصفهان
کلید واژه: هیدروژل های شبکه دوتایی, هیدروژل های چقرمه, شبکه های اتصال عرضی شده , خواص مکانیکی بالا,
چکیده مقاله :
تلاش برای ساخت هیدروژل هایی با خواص مکانیکی فوق العاده به ویژه با تحمل تنش فشاری زیاد در آغاز قرن بیست ویک، گسترش یافت. این هیدروژل ها به ویژه برای کاربردهایی مانند: غضروف و تاندون، ضدرسوب، حسگرها و محرک ها اهمیت دارند. از میان روش های ساخت هیدوژل های مقاوم مانند هیدروژل های نانوکامپوزیتی، هیدروژل های حلقه-لغزشی، و... هیدروژل های شبکه دوتایی (DN) به دلیل استحکام مکانیکی و چقرمگی مکانیکی بسیار زیاد توجه خاصی را به خود جلب کرده اند که در مقایسه با هیدروژل های تک شبکه ای معمولی، سازوکار شکست داخلی متفاوت و در نتیجه چقرمگی و استحکام فوق العاده ای دارند. این هیدروژل ها طبقه ی خاصی از هیدروژل های شبکه پلیمری درهم-نفوذی (IPN) هستند که از ترکیب شبکه ی سخت و شکننده با شبکه ی نرم و انعطاف پذیر درهم نفوذ کرده، تشکیل شده اند. شبکه ی سخت اول مسئول خواص استحکامی و شبکه ی انعطاف پذیر دوم، مسئول جذب موثر انرژی ترک است تا از رشد میکروسکوپی ترک جلوگیری کند. هیدروژل های DN برخلاف هیدروژل های معمولی، باوجود محتوی آب زیاد، خواص مکانیکی قابل مقایسه با غضروف های مفصلی و لاستیک های صنعتی دارند که به علت ساختار کاملاً متضاد و منحصربه فرد و گره خوردگی قوی این شبکه های دوگانه است. در این مقاله مروری به معرفی هیدروژل های DN، روش های ساخت، جنبه های ساختاری و کاربرد آن ها پرداخته می شود.
-
1. Chen P., Wu R., Wang J., Liu Y., Ding C., Xu S., One-pot Preparation of Ultrastrong Double Network Hydrogels, Polymer Research, 19, 1-4, 2012.
2. Yang J., Shi F. K., Gong C., Xie X. M., Dual Cross-linked Networks Hydrogels with Unique Swelling Behavior and High Mechanical Strength: Based on Silica Nanoparticle and Hydrophobic Association, Colloid and Interface Science, 381, 107-115, 2012.
3. Bu Y., Shen H., Yang F., Yang Y., Wang X., Wu D., Construction of Tough, in Situ Forming Double-network Hydrogels with Good Biocompatibility, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 2205-2212, 2017.
4. Shi Z., Li Y., Chen X., Han H., Yang G., Double Network Bacterial Cellulose Hydrogel to Build a Biology–Device Interface, Nanoscale, 6, 970-977, 2014.
5. Haque M. A., Kurokawa T., Gong J. P., Super Tough Double Network Hydrogels and Their Application as Biomaterials, Polymer, 53, 1805-1822, 2012.
6. Gong J. P., Katsuyama Y., Kurokawa T., Osada Y., Double‐network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength, Advanced Materials, 15, 1155-1158, 2003.
7. Gong J. P., Why are Double Network Hydrogels so Tough?, Soft Matter, 6, 2583-2590, 2010.
8. Chen Q., Chen H., Zhu L., Zheng J., Fundamentals of Double Network Hydrogels, Journal of Materials Chemistry B, 3, 3654-3676, 2015.
9. Nakajima T., Sato H., ZhaoY., Kawahara S., Kurokawa T., Sugahara K., Gong J. P., A universal Molecular Stent Method to Toughen any Hydrogels Based on Double Network Concept, Advanced Functional Materials, 22, 4426-4432, 2012.
10. Matsuda T., Nakajima T., Fukuda Y., Hong W., Sakai T., Gong J. P., Yielding criteria of double network hydrogels, Macromolecules, 49, 1865-1872, 2016.
11. Zhuang Y., Yu F., Chen H., Zheng J., Ma J., Chen J., Alginate/Graphene Double-network Nanocomposite Hydrogel Beads with Low-swelling, Enhanced Mechanical Properties, and Enhanced Adsorption Capacity, Journal of Materials Chemistry A, 4, 10885-10892, 2016.
12. Chen Q., Zhu L., Zhao C., Wang Q., Zheng J., A Robust, One-pot Synthesis of Highly Mechanical and Recoverable Double Network Hydrogels Using Thermoreversible Sol-gel Polysaccharide, Advanced Materials, 25, 4171-4176, 2015.
13. Bakarich S. E., Beirne S., Wallace G. G., Spinks G. M., Extrusion Printing of Ionic–covalent Entanglement Hydrogels with High Toughness, Materials Chemistry B, 1, 4939-4946, 2013.
14. Ota T., Yoshida K., Tase T., Sato K., Tanaka M., Saito A., Furukawa H., Influence of 3D-Printing Conditions on Physical Properties of Hydrogel Objects, Mechanical Engineering Journal, 5, 17-00538. 2018.
15. Nakajima T., Takedomi N., Kurokawa T., Furukawa H., Gong J. P., A Facile Method for Synthesizing Free-shaped and Tough Double Network Hydrogels Using Physically Crosslinked Poly (Vinyl Alcohol) as an Internal Mold, Polymer Chemistry, 1, 693-697, 2010.
16. Sun J. Y., Zhao X., Illeperuma W. R., Chaudhuri O., Oh K. H., Mooney D. J., Suo Z., Highly Stretchable and Tough Hydrogels, Nature, 489, 133-136, 2012.
17. Li J., Suo, Z., Vlassak J. J., Stiff Strong, and Tough Hydrogels with Good Chemical Stability, Journal of Materials Chemistry B, 2, 6708-6713, 2014.
18. Haque M. A., Kurokawa T., Kamita G., Gong J. P., Lamellar Bilayers as Reversible Sacrificial Bonds to Toughen Hydrogel: Hysteresis, Self-recovery, Fatigue Resistance, and Crack Blunting, Macromolecules, 44, 8916-8924, 2011.
19. Hu J., Hiwatashi K., Kurokawa T., Liang S. M., Wu Z. L., Gong J. P., Microgel-reinforced Hydrogel Films with High Mechanical Strength and Their Visible Mesoscale Fracture Structure, Macromolecules, 44, 7775-7781, 2011.
20. Lin S., Cao C., Wang Q., Gonzalez M., Dolbow J. E., Zhao, X., Design of Stiff, Tough and Stretchy Hydrogel Composites Via Nanoscale Hybrid Crosslinking and Macroscale Fiber Reinforcement, Soft matter, 10, 7519-7527, 2014.
21. Zhu L., Xiong C. M., Tang X. F., Wang L. J., Peng K., Yang H. Y., A Double Network Hydrogel with High Mechanical Strength and Shape Memory Properties, Chinese Journal of Chemical Physics, 31, 350-358, 2018.
22. Chen Y., Qiao S., Yu, J., Wang Y., Zhu J., Hu Z., A Novel Dual Responsive Nanocomposite Double Network Hydrogel with Good Mechanical Property, In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 186, 012042, 2018.
23. Gu Z., Huang K., Luo Y., Zhang L., Kuang T., Chen, Z., Liao G., Double Network Hydrogel for Tssue Engineering. Wiley Interdisciplinary Reviews, Nanomedicine and Nanobiotechnology, 10, e1520, 2018.
24. Bae K. H., Wang L. S., Kurisawa M., Injectable Biodegradable Hydrogels: Progress and Challenges, Journal of Materials Chemistry B, 1, 5371-5388, 2013.
25. Chen H., Chen Q., Hu,R., Wang H., Newby B. M. Z., Chang Y., Zheng J., Mechanically Strong Hybrid Double Network Hydrogels with Antifouling Properties, Journal of Materials Chemistry B, 3, 5426-5435, 2015.
26. Ying Z., Wang Q., Xie J., Li B., Lin X., Hui S., Novel Electrically-conductive Electro-Responsive Hydrogels for Smart Actuators with a Carbon-nanotube-enriched Three-dimensional Conductive Network and a Physical-phase-type Three-dimensional interpenetrating Network, Journal of Materials Chemistry C, 8, 4192-4205, 2020.
هیدروژلهای شبکه دوتایی
زیبا شیرینی1، فاطمه رفيعمنزلت*1
1 اصفهان، دانشگاه اصفهان، دانشکده شیمی، گروه شیمی پلیمر
چکیده
تلاش برای ساخت هیدروژلهایی با خواص مکانیکی فوقالعاده بهویژه با تحمل تنش فشاری زیاد در آغاز قرن بیستویک، گسترش یافت. این هیدروژلها بهویژه برای کاربردهایی مانند: غضروف و تاندون، ضدرسوب، حسگرها و محرکها اهمیت دارند. از میان روشهای ساخت هیدوژلهای مقاوم مانند هیدروژلهای نانوکامپوزیتی، هیدروژلهای حلقه-لغزشی، و... هیدروژلهای شبکه دوتایی (DN) بهدلیل استحکام مکانیکی و چقرمگی مکانیکی بسیار زیاد توجه خاصی را بهخود جلب کردهاند که در مقایسه با هیدروژلهای تک شبکهای معمولی، سازوکار شکست داخلی متفاوت و در نتیجه چقرمگی و استحکام فوقالعادهای دارند. این هیدروژلها طبقهی خاصی از هیدروژلهای شبکه پلیمری درهمنفوذی (IPN) هستند که از ترکیب شبکهی سخت و شکننده با شبکهی نرم و انعطافپذیر درهم نفوذ کرده، تشکیل شدهاند. شبکهی سخت اول مسئول خواص استحکامی و شبکهی انعطافپذیر دوم، مسئول جذب موثر انرژی ترک است تا از رشد میکروسکوپی ترک جلوگیری کند. هیدروژلهای DN برخلاف هیدروژلهای معمولی، باوجود محتوی آب زیاد، خواص مکانیکی قابل مقایسه با غضروفهای مفصلی و لاستیکهای صنعتی دارند که بهعلت ساختار کاملاً متضاد و منحصربهفرد و گرهخوردگی قوی این شبکههای دوگانه است. در این مقاله مروری به معرفی هیدروژلهای DN، روشهای ساخت، جنبههای ساختاری و کاربرد آنها پرداخته میشود.
کلمات کلیدی: هیدروژلهای شبکه دوتایی، هیدروژلهای چقرمه، شبکههای اتصال عرضیشده، خواص مکانیکی بالا
پست الکترونیک مسئول مکاتبات:
* frafiemanzelat@chem.ui.ac.ir
1 مقدمه
اکثر هیدروژلها از نظر مکانیکی نرم و شکننده هستند، یعنی انرژی شکست یا مدول الاستیک کمی دارند که استفادهی گستردهی آنها را برای بسیاری از کاربردها که خواص مکانیکی بالایی نیاز دارند، بهعنوان جایگزین بافتهایی که متحمل بار زیادی میشوند (مانند غضروف، تاندون و رباط) محدود میکند [1]. تلاشهای زیادی برای توسعهی هیدروژلهای بسیار چقرمه با رویکردهای نوین و سامانههای ژل شدن جدید توسعه یافته است که از جمله آنها میتوان به هیدروژلهای شبکه دوتایی، هیدروژلهای نانوکامپوزیتی، هیدروژلهای حلقه-لغزشی (Sliding-ring)، هیدروژلهای درشتمولکولی میکروکره کامپوزیتی (macromolecular microsphere composite hydrogels)، هیدروژلهای tetra-PEG و هیدروژلهای دارای برهمکنشهای فیزیکی فزاینده اشاره کرد. از این میان، هیدروژلهای DN استحکام مکانیکی بسیار بالا و چقرمگی مکانیکی زیادی نشان دادهاند [3،2،1]. ژلهای DN در سال 2003 توسط گنگ و همکارانش اختراع شدند.آنها از ترکیب شبکهی سخت که مسئول خواص استحکامی با شبکهی بسیار نرم و قابل کشش که در یکدیگر نفوذ کردهاند، تشکیل شده است. گنگ و همکارانش از پلیمریشدن رادیکال آزاد متوالی دومرحلهای برای سنتز اولین هیدروژل DN متشکل از پلی(2-آکریلآمیدو-2-متیلپروپانسولفونیکاسید) (PAMPS) بهعنوان شبکهی اول و پلیآکریلآمید (PAAm) بهعنوان شبکهی دوم استفاده کردند. ژلهای DN (PAMPS-PAAm) حاصل چقرمگی، تنش کششی و کرنش کششی، شکست بسیار بیشتری نسبت به هیدروژلهای تکشبکهای نشان دادند. گنگ و همکارانش اصول طراحی برای تهیهی هیدروژلهای DN چقرمه که بهصورت شیمیایی شبکهای شدهاند را بدینگونه خلاصه کردند:
1) شبکهی اول بایستی سخت و شکننده باشد مانند: پلیالکترولیتها و شبکهی دوم بایستی نرم و انعطافپذیر باشد مانند پلیمرهای طبیعی. 2) شبکهی اول باید دارای اتصالات عرضی محکمی باشد، درحالیکه شبکهی دوم دارای اتصالات عرضی ضعیفی است تا ساختار ژل نامتقارن قوی حاصل شود که این نیازمند وزن مولکولی بسیار بالای شبکهی دوم است. 3) غلظت مولار نهایی شبکهی دوم 30-20 برابر شبکه اول است؛ بهعبارت دیگر هیدروژل DN ساختار بسیار ویژهای از هیدروژل IPN است و رابطهی متعادل خوبی بین شبکهی شکنندهی اول و شبکهی انعطافپذیر دوم مورد نیاز است تا هیدروژل DN حاصل شود؛ در تعادل مناسب نسبت مولی شبکههای اول و دوم، استحکام مکانیکی ژلها بهطور چشمگیری افزایش مییابد [4،1]. 4) نسبت چگالی موثر زنجیرهی پلیمر دو شبکه باید بزرگتر از نسبت چگالی رشته پلیمر بحرانی (5/9-8/3) باشد.
2 فرایند سنتز هیدروژلهای DN
فرایند سنتز هیدرروژلهای DN به پنج روش انجام میشود که هرکدام از این روشها مزایا و معایب خود را دارد. 1-2 روش کلاسیک
معمولا هیدروژلهای DN از طریق روش پلیمریشدن رادیکال آزاد دو مرحلهای مانند: هیدروژل DN ساخته شده توسط گنگ و همکارانش، سنتز میشوند. اولین مرحله استفاده از پلیالکترولیتهای قوی برای ایجاد اتصال عرضی کوالانسی سخت و غیرقابل انعطاف است. سپس ژل پلیالکترولیت اول در محلول پیشماده ژل دوم شامل: مونومرهای طبیعی شبکهی دوم، آغازگرها و عوامل ایجاد اتصال عرضی غوطهور و متورم میشود. واکنشگرهای شبکهی دوم به آرامی در شبکهی ژل اول نفوذ میکنند که منجر به انبساط شبکهی اول میشود. بعد از فرایند تورم، دومین مرحلهی پلیمریشدن رخ میدهد تا دومین شبکهی طبیعی که دارای اتصالات عرضی ضعیف، نرم و انعطافپذیر در طول شبکهی اول است، تشکیل شود (شکل 1). این روش برای تهیهی اکثر هیدروژلهای DN که دارای دو شبکهی اتصال عرضی شدهی شیمیایی هستند، استفاده شده است. از سوی دیگر، از آنجایی که این روش شامل تورم، نفوذ و دو مرحلهی پلیمریشدن است برای شروع پلیمریشدن موثر شبکهی دوم، به مقدار اضافی زیادی واکنشگرهای شبکهی دوم (مونومرهای شبکهی دوم 50-20 برابر بیشتر از مونومرهای شبکهی اول) نیاز دارد تا گرهخوردگی قوی شبکهی دوم با شبکهی اول شکل بگیرد. معمولاً روش دومرحلهای متوالی 2-1 روز طول میکشد تا هیدروژلهای DN کامل شود. این روش بیشترین روش بهکار برده برای تهیهی ژلهای DN است و همچنین دارای این مزیت است که به آسانی اصلاح شده و سازگار با سامانههای ژل متفاوت است [5،6،7].
شکل 1 فرایند سنتز نوعی ژل DN[8]
2-2 روش ثابتساز مولکولی (Molecular stent method)
در روش کلاسیک مورد استفاده برای تهیهی بیشتر هیدروژلهای DN دارای اتصال عرضی شیمیایی، توانایی تورم شبکهی اول تشکیل شده توسط پلیالکترولیتها برای فرایند پلیمریشدن دوم بسیار مهم است تا هیدروژلهای DN چقرمه تهیه شود [8]. شبکهی اول ژلهای DN معمولی، محدود به ژلهای پلیالکترولیت اتصال عرضی شدهی شیمیایی است که این موضوع، بعضی خواص و کاربردهای ژلهای DN را محدود میکند. همچنین زمانیکه پلیمرهای طبیعی برای تشکیل شبکهی اول استفاده میشوند، توانایی تورم ضعیف شبکهی اول خنثی، استفاده از روش کلاسیک برای تهیهی ژلهای DN چقرمه را دشوار میسازد. از آنجایی که وجود یونهای همراه در پلیالکترولیت قوی، فشار اسمزی زیادی ایجاد میکند، ژلهای پلیالکترولیت شبکهی اول، بهطور قابلتوجهی در آب متورم و شکننده میشوند؛ درحالیکه ژلهای خنثی که هیچ یون همراهی ندارند، زیاد متورم نمیشوند و بنابراین برای اولین شبکهی ژلهای DN چقرمه چندان مناسب نیستند. اگر با روش مناسبی بتوان ژلهای DN چقرمه را نهتنها از پلیالکترولیتهای قوی بلکه از هر پلیمر آبدوستی سنتز کرد، میتوان انواع مختلفی از ژلهای چقرمه و کاربردی را ساخت [4]. برای غلبه بر این محدودیت ناکاجیما و همکارانش روش ثابتساز مولکولی را برای سنتز ژلهای DN چقرمه دارای دو شبکه بر پایهی پلیمرهای خنثی، ایجاد کردند. شکل 2 دستورالعمل کلی روش ثابتساز مولکولی را نشان میدهد. در روش ثابتساز مولکولی، پلیالکترولیتهای خطی یا مواد فعال سطحی یونی (بهعنوان ثابتساز مولکولی) وارد ژلهای طبیعی میشوند. این ثابت سازها بهعلت وزن مولکولی بالای پلیمر یا تشکیل میسل در ژلها به دام میافتند و یونهای همراه متحرک آنها، فشار اسمزی زیادی برای ایجاد ژلهای شبکهی اول متورم و قابل مقایسه با ژلهای الکترولیت قوی، اعمال میکنند. بنابراین انواع متفاوتی از ژلهای خنثی بدون توجه به ساختار شیمیاییشان میتوانند بهعنوان شبکهی اول استفاده شوند [9]. این روش نیز مشابه روش کلاسیک شامل دو مرحله است: الف) ژل اول: ابتدا شبکهی خنثی با ساختار شبکهای مشخص سنتز میشود. سپس پلیالکترولیت خطی قوی بهعنوان ثابتساز مولکولی وارد شبکهی اول خنثی میشود تا ژل semi-IPN تشکیل شود. در طول این فرایند فشار اسمزی کلی ژل semi-IPN افزایش مییابد تا شبکهی اول خنثی با میزان تورم بالا مشابه با ژلهای پلیالکترولیت قوی، به صورتبندی گسترده کشیده شود. ژل خنثای متورم شامل پلیالکترولیتهای آنیونی یا کاتیونی، ژل ثابتساز یا ژل St نامیده میشود. ژل St را میتوان بهطور کلی با دو روش متفاوت سنتز کرد: 1) روش پسافزایشی (post-addition) و 2) روش پیشافزایشی (pre-addition).
روش پسافزایشی، غوطهوری ژلهای خنثی از پیشساخته شده، در محلول الکترولیت مونومری است که مونومرهای الکترولیت در داخل ژلهای خنثی به پلیالکترولیتهای خطی پلیمری میشوند. در مقابل، در روش پیشافزایشی، ابتدا پلیالکترولیتهای خطی سنتز میشوند و سپس با مونومرهای شبکهی اول خنثی مخلوط میشوند تا در اثر پلیمریشدن، شبکهی اول تشکیل شود که دربرگیرندهی پلیالکترولیتهای خطی است. در هر دو روش، ژلهای St با توانایی تورم خوب بهدست میآید. سرانجام، پس از کامل شدن ژل St، روند باقیمانده برای تهیهی ژل St-DN از ژل St تقریباً مشابه روشهای کلاسیک است. ب) ژل دوم: ژل بسیار متورم St در محلول پیشمادهی شبکهی دوم غوطهور میشود و با پلیمریشدن مونومرهای شبکهی دوم، ژلهای St-DN چقرمه تولید میشود [10].
شکل 2 طرحی از روش ثابتساز مولکولی برای تهیهی ژلهای DN چقرمه با دو شبکهی اتصال عرضی شدهی شیمیایی [9]
3-2 روش تک ظرف (One-pot method)
روشهای کلاسیک و ثابتساز مولکولی عمومیت و انعطافپذیری زیادی در تهیهی ژلهای DN چقرمه عرضه داشتهاند. با اینحال، هر دو روش شامل چندین مرحله سنتز ژل هستند و بنابراین با چندین محدودیت روبرو هستند: 1) فرایند سنتز چندمرحلهای ژلهای DN خستهکننده و وقتگیر است که اغلب شامل تورم، نفوذ و دو فرایند پلیمریشدن است که به 2-1 روز برای کامل شدن ژلهای DN نیاز دارد. 2) روشهای چند مرحلهای مرسوم بهراحتی نمیتوانند ژلهای با شکل پیچیده تهیه کنند تا کاربردهای گسترده یا خاص داشته باشند؛ تنها ژلهای ورقهای ساده یا دیسکمانند در مقالات گزارش شده است. 3) هر دو روش برای تهیهی ژلهای DN با دو شبکهای که به صورت شیمیایی اتصال عرضی شدهاند، استفاده شدهاند. با اینحال، شکست شبکههایی که بهصورت شیمیایی اتصال عرضی شدهاند، بهویژه شبکهی اول، علاوهبر اینکه باعث شکست برگشتناپذیر و دائمی پیوند میشوند، ترمیم و بهبود تخریب ژل را سخت میکنند [5،6،7]. 4) مراحل نفوذ، منجر به توزیع تصادفی نسبت مولی اجزا و کاهش تکرارپذیری میشود. 5) بیشتر هیدروژلهای DN از آغازگرهای سمی و مواد اولیهی آکریلآمیدی استفاده میکنند که مانع استفاده از آنها در علوم زیستی میشود [11].
برای غلبه بر این محدودیتها، چن و همکارانش روش سادهی تک ظرف را برای سنتز نوع جدیدی از هیدروژل DN آگار/پلیآکریلآمید (Agar/PAM) که هیبریدی از اتصال عرضی فیزیکی-شیمیایی دارند، عرضه کردهاند که متشکل از دو شبکهی درهم نفوذ کرده، یک شبکهی آگار اتصال عرضیشده با پیوند هیدروژنی و یک شبکهی پلیآکریلآمید اتصال عرضیشدهی کوالانسی است (شکل 3). با بهرهگیری از مزیت تبدیل فاز سل به ژل برگشتپذیر با گرما و تبدیل ساختار فنر به مارپیچ آگار، برای تهیهی هیدروژلهای DN Agar/PAM از طریق روش گرمایش-سرمایش-پلیمریشدن نوری، همهی واکنشگرهای آگار، آکریلآمید، آغازگر UV، عامل ایجاد اتصال عرضی N,N´-متیلنبیساکریلآمید MBA و آب به یک ظرف اضافه شدند. در اثر حرارت دادن همهی واکنشگرها تا دمای °C90 تحت اتمسفر N2، آگار در محلول حل میشود و صورتبندیهای تصادفی اتخاذ میکند. سپس محلول حاصل بهتدریج تا دمای اتاق خنک میشود و ژل شدن آگار رخ میدهد. وقتی شبکهی اتصال عرضی شدهی فیزیکی آگار شکل گرفت، ژل آگار و بقیهی مواد واکنش نداده در همان ظرف، به صورت نوری پلیمری میشوند تا شبکهی دوم اتصال عرضی شدهی شیمیایی نرم PAM تشکیل شود که در شبکهی آگار نفوذ کرده است. روش تکظرف اتصال عرضی شدهی هیبریدی فیزیکی-شیمیایی، از طریق انتخاب پلیمرهای دارای خاصیت سل-ژل برگشتپذیر (به عنوان شبکهی اول) توسعه یافتهاست که بهراحتی میتواند ژلهای DN را با روشی سریع و قابل کنترل تولید و بهینه کند [12].
شکل 3 طرحی از تهیهی ژل DN Agar/PAM با استفاده از روش تکظرف [12]
4-2 روش چاپ سه بعدی اکستروژن (Extrusion 3D-printing method)
فنون ساخت افزایشی (additive Manufacturing) از جمله چاپ سه بعدی (3D) بهدلیل توانایی آنها در تولید سریع اشیای سه بعدی پیچیده، در طیف متنوعی از زمینهها مورد توجه فزایندهای قرار میگیرند. یکی از ویژگیهای جالب فرایند ساخت افزایشی، ظرفیت برخی از سامانهها برای چاپ چندین ماده در یک جزء واحد است. این قابلیت با قرارگیری و مخلوط کردن مواد، به اپراتور توانایی کنترل 3D روی خواص مواد در یک شی را میدهد. اخیرا چاپ 3D هیدروژلها برای کاربردهای مهندسی بافت مورد بررسی قرار گرفته، و از این روش برای تهیهی هیدروژلهای DN نیز استفاده شده است. اغلب چاپ ترکیبات ژلمانند، شامل تزریق محلول پیشمادهی هیدروژل به داخل یک قالب مشخص، و بهدنبال آن واکنش ژلشدن توسط نور، مواد شیمیایی یا محرک گرمایی است [13]. باکاریچ و همکارانش روش چاپ اکستروژن همزمان با پلیمریشدن نوری را برای مهندسی سریع ژلهای چقرمه دارای گرهخوردگیهای یونی-کووالانسی (ionic–covalent entanglement (ICE)) با شکلهای پیچیده در مقیاس بزرگ توسعه دادهاند؛ بدین منظور از یک سامانه اکستروژن متصل به یک سامانه پخت UV برای چاپ ساختارهای هیدروژل از جوهرهای آلژینات/آکریلآمید (Alg/AAM) استفاده شده است (شکل 4). جوهر در ظرف فولاد ضدزنگ تحت فشار که در ژاکت کنترل دما است، ریخته میشود و روی یک ظرف شیشهای چاپ زده میشود تا واکنش ژل شدن (ژل اول) با نور انجام شود (شکل B4 و C4).
شکل 4 A) چهار نمونه مدل استخوان سگی طراحی شده با کامپیوتر [13]
ژلهای ICE چاپ شده، خواص مکانیکی و چقرمگی خوبی دارند. زمانیکه ژلهای چاپ شده در محلول CaCl2 غوطهور و متورم میشوند، یونهای Ca+2 میتوانند با واحدهای گلورونیکاسید در آلژینات پیوندهای کئوردینه تشکیل دهند (ژل دوم) که به افزایش بیشتر مدول الاستیک ژل کمک میکند. مقایسهی خواص مکانیکی ژلها نشان میدهد که کارایی مکانیکی هیدروژلهای ICE چاپ شده پایینتر از ICE تهیه شده با روش تکظرف اما بیشتر از هیدروژلهای معمولی است [13]. فن چاپ سهبعدی ابزار قدرتمندی برای ساخت ساختارهای هیدروژل چندجزئی دارای شکلهای هندسی 3D پیچیده و دستگاههای کاربردی در عضلات مصنوعی و داربستهای مهندسی بافت ارائه میکند [14].
5-2 روشهای شکلپذیری آزاد (Free-shapeable method)
به جز خواص مکانیکی بالا، قابلیت شکلپذیری ژلهای DN ویژگی مهم دیگری برای عملکرد آنها در جایی است که شکل سه بعدی مشخصی مورد نیاز است، بهعنوان مثال بافتهای مصنوعی (غضروف، تاندون، عضله) علاوهبر کارایی مکانیکی بالا به اشکال هندسی خاصی برای اجرای عملکردشان بهعنوان مقلدهای زیستی نیاز دارند. همانطور که قبلاً گفته شد، بیشتر هیدروژلهای سنتزی تهیه شده با روشهای کلاسیک و ثابتساز مولکولی فاقد انعطافپذیری شکل هستند و با این روشها تنها شکلهای ساده مانند ورقه یا دیسک میتوان ساخت.
بهمنظور غلبه بر این مشکل ناکاجیما و همکارانش برای سنتز هیدروژل DN چقرمه و شکلپذیر، با معرفی پلیوینیلالکل (PVA) اتصال عرضی شدهی فیزیکی بهعنوان قالب داخلی در سامانه ژل PAMPS-PAAm، روش جدید قالب داخلی را پیشنهاد دادند. ابتدا ژلهای PVA اتصال عرضی شدهی فیزیکی دارای شکلهای پیچیده بهعنوان قالبهای داخلی تهیه شدکه بسیار انعطافپذیر و نسبتاً مقاوم هستند تا هر شکل پیچیدهای تشکیل دهند. سپس محلول آبی حاوی مونومرهای AMPS، عامل ایجاد اتصال عرضی MBAA و آغازگر نوری 2-اکسوگلوتاریکاسید تهیه و ژلهای PVA حداقل به مدت 3 روز در آن غوطهور شد. سپس شبکه PAMPS (شبکه ی اول) در قالب ژلهای PVA با پلیمریشدن نوری تهیه شد. سپس ژلهای DN PVA-PAMPS در محلول مونومرهای AAm و 2-اکسوگلوتاریکاسید حداقل به مدت 2 روز غوطهور شد و سرانجام شبکهی PAAm (شبکه ی دوم) در حضور ژل PVA-PAMPS با پلیمریشدن نوری تهیه شد. ژلهای سهشبکهای PVA-PAMPS-PAAm حاصل، ژل PVA-DN نامیده شد. ژلهای PVA-DN ویژگیهای مکانیکی مشابه با ژلهای DN معمولی نشان دادند.
روش قالب داخلی، فرصت ساختن هر شکل پیچیدهای مانند: ماهی، پرنده و . . . را فراهم میکند (شکل 5). شکلپذیری و استحکام با استفاده از تفاوتهای مکانیکی بین ژلهای PVA از پیشساختهی انعطافپذیر و ژلهای PVA-PAMPS متورم سخت، متعادل و تنظیم میشود [15].
شکل 5 هیدروژل DN-PVA تهیهشده با روش شکلپذیری آزاد [15]
3 ساختارهای شبکهی ژلهای DN
ترکیب روشهای متفاوت تهیهی ژل و سامانههای مختلف ژل پلیمری، طیف گستردهای از ساختارهای شبکه را برای ژلهای DN ایجاد کرده است. درک رابطهی بین ساختار شبکه و خواص مکانیکی ژلهای DN مختلف برای طراحی نسل بعدی ژلهای DN دارای خواص مکانیکی بالا و عملکرد مطلوب از اهمیت بالایی برخوردار است. ساختارهای شبکهای هیدروژلهای DN به چهار طریق تشکیل میشوند که در ادامه به آنها پرداخته میشود.
1-3 شبکههای اتصال عرضی شدهی شیمیایی-شیمیایی
تقریباً در همهی هیدروژلهای DN سنتز شده با روش کلاسیک و ثابتساز مولکولی، هر دو شبکه بهصورت شیمیایی اتصال عرضی برقرار کردهاند؛ بهعنوان مثال در هیدروژل DN پلیاتیلنگلیکول/پلیآکریلیکاسید (PEG-PAA) شبکهی PEG از طریق واکنش تراکمی با استفاده از گلوتارالدهید و شبکهی PAA از طریق پلیمریشدن رادیکال آزاد با استفاده از عامل اتصال عرضی MBAA شبکهای میشوند (شکل 6). بنابراین ژلهای DN اتصال عرضی شدهی شیمیایی دارای ساختار شبکه و رفتارهای مکانیکی مشابهی هستند. علاوهبر این با توجه به ماهیت شیمیایی اتصالات عرضی، هنگامی که شکست شبکهی پلیمر منجر به آسیب برگشتناپذیر ناشی از شکست دائمی پیوند در کرنش بالا میشود، ژلهای DN بیشتر خواص مکانیکیشان را بعد از بارگذاری (Loading) از دست میدهند و منجر به ایجاد مشکل در ترمیم آسیب میشوند [1].
شکل 6 طرح واکنشهای هیدروژلهای PEG-PAA [1]
2-3 شبکههای اتصال عرضی شدهی هیبریدی فیزیکی-شیمیایی
اخیراً ژلهای DN اتصال عرضی شدهی هیبریدی فیزیکی-شیمیایی با ترکیب اتصالدهندههای غیرکووالان و کووالان توسعه یافته است. در ژلهای DN هیبریدی، همیشه شبکهی اول توسط ژلهای اتصال عرضی شدهی فیزیکی ساخته میشود؛ درحالیکه شبکهی دوم بهصورت شیمیایی اتصال عرضی شده است. نیروهای پیوستگی بین دو شبکه و در شبکهی فیزیکی، بسته به خصوصیات فیزیکوشیمیایی ذاتی هر دو پلیمر، پیوندهای غیرکووالان مانند: برهمکنشهای آبگریزی، برهمکنشهای واندروالس، پیوندهای هیدروژنی و برهمکنشهای الکتروستاتیک است.
سو و همکارانش ژلهای DN هیبریدی با ترکیب ژل آلژینات اتصال عرضیشده با یونهای Ca+2 و شبکهی PAAm اتصال عرضی شدهی کووالان را تهیه کردند (شکل 7) [16].
شکل 7 ساختارهای مولکولی و میکروساختارهای ژل هیبریدی Ca2+-alginate-PAAm [16]
برای ژلهای هیبریدی اتصال عرضی شدهی یونی، پلیساکاریدها شامل آلژینات، ژلانگام و کاراگینان، که پلیمرهای آنیونی با گروههای کربوکسیل فراوان در زنجیرهی اصلیشان هستند و کاتیونها میتوانند پیوندهای کئوردیناسیون با گروههای کربوکسیل در پلیساکارید تشکیل دهند. این پیوندها فرصت جدا شدن و اتصال برگشتپذیر و سریع را فراهم میکند. از آنجایی که پیوندهای غیرکووالان در شبکهی اتصال عرضی شدهی فیزیکی درگیر هستند، اغلب همهی ژلهای هیبریدی ازدیاد طول عالی، چقرمگی بالا، برگشتپذیری خوب و تا حدی توانایی ترمیم تحت برخی از محرکهای خارجی را دارند [17].
3-3 شبکهی دولایهی لایهلایه
ژلهای DN اتصال عرضی شدهی شیمیایی تقریباً ترمیم و مقاومت در برابر خستگی ناچیزی پس از شکست دائمی پیوندهای کووالان در کرنش بالا نشان میدهند. ژلهای DN اتصال عرضی شدهی هیبریدی فیزیکی-شیمیایی توانایی ترمیم بهتری دارند، اما معمولاً برای تحریک خاصیت ترمیم به محرک خارجی نیاز دارند. هاگو و همکارانش نوع جدیدی ژلهای DN دولایهی لایهلایه متشکل از دو لایهی سخت و آبگریز پلی(دودسیلگلیسریل ایتاکونات) PDGI و ماتریکس آبدوست PAAm انعطافپذیر را تهیه کردند که هر دو بهصورت متناوب و در فواصل معین روی یکدیگر قرار میگیرند تا دولایههای ساندویچی شکل متعددی تشکیل دهند (شکل 8). ژل PDGI-PAAm از طریق پلیمریشدن رادیکال آزاد همزمان از محلول آبی دودسیلایتاکونات (DGI)، نمک دودسیلسولفات دودسیلایتاکونات،آکریلآمید و عامل ایجاد اتصال عرضی مونومر AAm و آغازگر نوری تهیه شد. شایان گفتن است که DGI و AAm با یکدیگر واکنش نمیدهند و بنابراین دو لایهی PDGI و PAAm از طریق برهمکنشهای واندروالس و پیوندهای هیدروژنی، بهصورت فیزیکی بههم متصل میشوند [18].
شکل 8 نمونهای از ساختار لایهای هیدروژل PDGI-PAAm متشکل از دولایههای لایهلایهی PDGI و ماتریکس PAAm [1]
4-3 شبکهی میکرو-نانوفاز
با الهام گرفتن از هیدروژلهای نانوکامپوزیتی تقویت شده با کربن، هیدروژل میکروکرهای میکروسکوپی، بهعنوان محلی برای گرههای اتصال عرضی چندعاملی، میتواند برای بهبود ویژگیهای مکانیکی هیدروژلهای معمولی استفاده شود. هو و همکارانش هیدروژلهای جدید تقویت شده با میکروژل ((MR) Microgel Reinforced) را با دو ساختار فاز کامپوزیتی که فاز پخش، یک میکروژل DN سخت و فاز پیوسته ماتریکس PAAm نرم است، را بدین صورت تهیه کردند (شکل 9). برای تهیهی هیدروژلهای تقویت شده با میکروژل نیاز است که بههمراه مرحلهی تهیهی ژل DN، ذرات میکروژل در داخل ماتریکس هیدروژل پراکنده شوند؛ همچنین نانوذرات هم میتوانند با ژلهای DN ترکیب شوند تا هیدروژلهای چقرمه تولید کنند [19]. بهطورکلی، ورود نانوکامپوزیتها به هیدروژلهای شبکه دوتایی از طریق پیوندهای کوالانسی یا غیرکوالانسی امکان ساخت هیدروژلهای جدید دارای استحکام و چقرمگی بالا را فراهم میکند. نانوکامپوزیتها میتوانند بهعنوان بخشهای فداشوندهی اضافی در ژلهای DN اتصال عرضیشدهی شیمیایی، برای اتلاف موثر انرژی و جلوگیری از پیشرفت ترک بهکار روند [20].
شکل 9 طرحی از تهیهی ساختار ژلهای sMR و ژلهای MR [19]
4 خواص مکانیکی ژلهای DN
خاصیت مکانیکی اکثر هیدروژلهای ساخته شده از منابع طبیعی یا سنتزی موضوع اصلی کاربردهای زیستپزشکی، کشاورزی و ترکیبات پاسخگو به محرک است. افزایش استحکام مکانیکی هیدروژلها، موضوع بسیار جالبی است و به چالش بزرگی تبدیل شده است. هیدروژلهای DN، در تلاش برای غلبه بر محدوریتهای خواص مکانیکی هیدروژلهای معمولی توسعه یافتهاند که افزایش استحکام مکانیکی غیرخطی نشان میدهند. این هیدروژلها تنش شکست فوقالعاده و محتوی آب بالایی نسبت به هیدروژلهای تکشبکهای دارند [1،21].
از آنجایی که شبکهی اول شکننده و شبکهی دوم انعطافپذیر است، در هنگام اعمال تنش زیاد شبکهی اول به قطعاتی (شکست داخلی) شکسته میشود، درحالی که شبکهی دوم ساختار شبکهای خود را حفظ میکند. مشخص شده است که بهدلیل شکست شبکهی اول در طی تغییر شکل هیدروژلهای DN، انرژی قابل توجهی تلف میشود. این واقعیت، مقاومت در برابر پیشرفت ترک سامانه را بهطور چشمگیری افزایش داده و درنتیجه ژلهای DN را چقرمه میکند [4،7].
دو پارامتر ساختاری برای بهدست آوردن ژلهای دارای خواص مکانیکی قوی لازم است: اولی، نسبت مولی شبکهی اول به دوم است و دومی، چگالی اتصالات عرضی آنها است. بهنظر میرسد که تنها زمانی که نسبت مولی شبکهی دوم به شبکهی اول در محدودهی چند ده است، افزایش قابل توجهی در استحکام مکانیکی ژل دیده میشود. این بارزترین تفاوت ژلهای DN با هیدروژلهای شبکه درهمنفوذی (IPN) معمولی است که هیچ بهبود قابلتوجهی در استحکام مکانیکی نشان نمیدهند [7]. چگالی اتصالات عرضی شبکهی اول و دوم برای افزایش استحکام مکانیکی ژلهایDN موضوع بحرانی است. زمانیکه شبکهی اول بهطور محکم اتصال عرضی شود و شبکهی دوم به طور ضعیف اتصال عرضی شود، افزایش قابل توجهی در استحکام مکانیکی رخ میدهد. شایان گفتن است که ژلهای DN زیستسازگار میتوانند با ترکیب شدن پلیمرهای طبیعی و سنتزی حاصل شوند [6،21].
نتایج آزمایشگاهی نشان داده است که افزایش استحکام مکانیکی ژلهای DN را نمیتوان بهآسانی به افزایش اتصالات عرضی شیمیایی یا گرهخوردگی فیزیکی بین دو شبکه نسبت داد؛ زیرا ژلهای DN با شبکهی دوم دارای چگالی اتصالات عرضی پایین نیز، افزایش استحکام مکانیکی قابلتوجهی نشان میدهند. فرض شده است که حضور سیالیت (بخش ویسکوز) مناسب برای اتلاف موثر تنش توسط شبکهی دوم بسیار حیاتی است تا استحکام را افزایش دهد. شبکهی اول با چگالی اتصال عرضی بالا، مدول یانگ نسبتاً بالایی دارد و شکننده است [7].
ژلهای DN تهیه شده در شرایط بهینه، شکست نور بسیار کمی نشان میدهند؛ این واقعیت اظهار میکند که شبکهی دومی که بهطور ضعیف اتصال عرضی شده است انرژی ترک را بهوسیلهی تغییر صورتبندی یا با لغزش نقاط گرهخوردگی فیزیکی در طول زنجیرهها بهصورت موثری جذب کرده است تا از رشد میکروسکوپی ترک جلوگیری کند [8].
5 کاربردهای هیدروژلهای DN
با تنظیم پارامترهای ساختاری دو شبکهی تشکیلدهندهی هیدروژل، میتوان به طیف گستردهای از عملکرد مکانیکی ژلهای DN رسید؛ این امر باعث میشود که مدول، استحکام و چقرمگی هیدروژلها برای عملکرد مکانیکی در هر ماتریکس کاربردی مناسب باشد [22] و از آن می توان در زمینههای مختلفی استفاده کرد که در ادامه به کاربرد آنها اشاره شده است.
1-5 مهندسی بافت
هیدروژلها بهدلیل ساختارهای بسیار هیدراته و متخلخل سهبعدی مهمترین مواد زیستی برای تقلید ویژگیهای ماتریکس خارج سلولی طبیعی برای محاصرهی سلول، تکثیر، سیگنالدهی و همچنین تحریک تولید ماتریکس توسط سلولها هستند. بهدلیل ماهیت نرم و مرطوب ژلهای DN چقرمه، آنها بهعنوان مواد زیستی ساختاری مانند غضروف مصنوعی قابلیت بالایی دارند [23].
2-5 حاملهای دارو و مولکولهای زیستی
ژلهای DN و هیدروژلهای دیگر نیز بهعنوان مخزن دارو/سامانههای تحویل دارو برای کاربردهای مختلف استفاده شدهاند. هیدروژلهای حاوی مقدار زیادی آب، نهتنها محیط آبی برای مولکولهای آلی کوچک ایجاد میکنند، بلکه صورتبندیهای فعال زیستی محافظ داروهای پروتئینی و DNA/RNA را فراهم میکنند. علاوهبراین، ساختارهای شبکهای متخلخل هیدروژلها امکان افزایش بارگذاری دارو را فراهم میکند. با این مزایا، ژلهای DN دارای استحکام مکانیکی بالا میتوانند بهعنوان حاملهای بسیار پایدار، یا کاشتنیها برای رهایش کنترلشدهی داروهای درمانی و مولکولهای زیستی بهکار روند [24].
3-5 ضدرسوب (Antifouling)
هیدروژلها همچنین بهعنوان ترکیبات ضدرسوب برای مقاومت در برابر جذب پروتئین، چسبندگی سلول، چسبندگی میکرواورگانیسمها برای کاشتهای ضدپروترومبینی، حاملهای انتقال دارو و غشا جداسازی طراحی شدهاند. ژلهای DN میتوانند بهعنوان لایههای ضدرسوب نرم و دوستدار محیط زیست استفاده شوند. بسیاری از ژلهای DN از جمله: ژل PAMPS-PAAm، ژل سلولز-PDMAAm، ژل PEG-PAA، ژل سلولز-PEG و ژل ژلانگام-PEG از پلیمر ضدرسوب بهعنوان یکی از شبکهها برای دستیابی به خواص مکانیکی بالا تشکیل شدهاند. با این وجود، تنها تعداد کمی از ژلهای DN برای خاصیت ضدرسوب تولید و آزمایش شدهاند [25].
4-5 حسگرها و محرکها
ژلهای DN همچنین بهعنوان حسگرهای پاسخگوی انتخابی و حساس انتخاب شدهاند تا در پاسخ به تغییرات pH، حلال، نور، نیروی مکانیکی یا میدان الکتریکی و مغناطیسی طیف گستردهای از آنالیتها را تشخیص دهند [26].
6 نتیجهگیری
ژلهای DN از دو شبکهی درهم نفوذ کرده با خواص مکانیکی متضاد ساخته شدهاند که ساختار توپولوژیکی متضادی دارند. شبکهی اول اتصالات عرضی متراکمی دارد که آن را سفت و شکننده میکند؛ شبکهی دوم انعطافپذیر و دارای اتصالات عرضی پراکنده است که باعث نرمی و کششپذیری آن میشود. علاوهبر این غلظت مولی شبکهی انعطافپذیر دوم خیلی بیشتر از شبکهی شکنندهی اول است. ژلهای DN چقرمه هستند؛ زیرا شکستگی داخلی شبکهی شکننده باعث اتلاف مقدار قابل توجهی انرژی تحت کرنش زیاد میشود، درحالیکه کشسانی شبکهی دوم به آن فرصت میدهد تا بعد از تغییر شکل به شکل اصلی خود برگردد. بنابراین، انرژی شکست شبکهی دوتایی بسیار بزرگتر از شبکهی تکی متناظر است و از اصول شبکه دوتایی میتوان برای چقرمه کردن ترکیبات شبکهای دیگر استفاده کرد تا ساختار شبکهای درهم نفوذ کرده ایجاد شود. با تنظیم پارامترهای ساختاری دو شبکه میتوان به طیف گستردهای از عملکرد مکانیکی ژلهای DN رسید؛ این امر باعث میشود که مدول، استحکام و چقرمگی هیدروژلها برای عملکرد مکانیکی در هر ماتریکس کاربردی مناسب باشد. با انتخاب مواد اولیه و روش سنتز و تنظیم ساختارهای سهبعدی ژلهای DN می توان از آن ترکیباتی تهیه کرد که در زمینههای متنوعی از جمله مهندسی بافت، حاملهای دارو، حسگرها و محرکها و ... استفاده شود. با وجود کارایی مکانیکی عالی ژلهای DN، تعداد مقالات منتشر شده در سالهای اخیر بهروشنی نشان میدهد که هنوز هم تحقیق و توسعهی دربارهی هیدروژلهای DN در مقایسه با هیدروژلهای دیگر در مراحل اولیه قرار دارد.
مراجع
1. Chen, P., Wu, R., Wang, J., Liu, Y., Ding, C., & Xu, S., One-pot preparation of ultrastrong double network hydrogels, Polymer Research, 19(3), 1-4, 2012.
2. Yang, J., Shi, F. K., Gong, C., & Xie, X. M., Dual cross-linked networks hydrogels with unique swelling behavior and high mechanical strength: Based on silica nanoparticle and hydrophobic association, colloid and interface science, 381(1), 107-115, 2012.
3. Bu, Y., Shen, H., Yang, F., Yang, Y., Wang, X., & Wu, D., Construction of tough, in situ forming double-network hydrogels with good biocompatibility, ACS applied materials & interfaces, 9(3), 2205-2212, 2017.
4. Shi, Z., Li, Y., Chen, X., Han, H., & Yang, G., Double network bacterial cellulose hydrogel to build a biology–device interface, Nanoscale, 6(2), 970-977, 2014.
5. Haque, M. A., Kurokawa, T., & Gong, J. P., Super tough double network hydrogels and their application as biomaterials, Polymer, 53(9), 1805-1822, 2012.
6. Gong, J. P., Katsuyama, Y., Kurokawa, T., & Osada, Y., Double‐network hydrogels with extremely high mechanical strength, Advanced materials, 15(14), 1155-1158, 2003.
7. Gong, J. P., Why are double network hydrogels so tough?, Soft Matter, 6(12), 2583-2590, 2010.
8. Chen, Q., Chen, H., Zhu, L., & Zheng, J., Fundamentals of double network hydrogels. Journal of Materials Chemistry B, 3(18), 3654-3676, 2015.
9. Nakajima, T., Sato, H., Zhao, Y., Kawahara, S., Kurokawa, T., Sugahara, K., & Gong, J. P., A universal molecular stent method to toughen any hydrogels based on double network concept, Advanced Functional Materials, 22(21), 4426-4432, 2012.
10. Matsuda, T., Nakajima, T., Fukuda, Y., Hong, W., Sakai, T., Kurokawa, T., ... & Gong, J. P., Yielding criteria of double network hydrogels, Macromolecules, 49(5), 1865-1872, 2016.
11. Zhuang, Y., Yu, F., Chen, H., Zheng, J., Ma, J., & Chen, J., Alginate/graphene double-network nanocomposite hydrogel beads with low-swelling, enhanced mechanical properties, and enhanced adsorption capacity, Journal of Materials Chemistry A, 4(28), 10885-10892, 2016.
12. Chen, Q., Zhu, L., Zhao, C., Wang, Q., & Zheng, J., A robust, one‐pot synthesis of highly mechanical and recoverable double network hydrogels using thermoreversible sol‐gel polysaccharide, Advanced materials, 25(30), 4171-4176, 2015.
13. Bakarich, S. E., Beirne, S., Wallace, G. G., & Spinks, G. M., Extrusion printing of ionic–covalent entanglement hydrogels with high toughness, Materials Chemistry B, 1(38), 4939-4946, 2013.
14. Ota, T., Yoshida, K., Tase, T., Sato, K., Tanaka, M., Saito, A., Furukawa, H., Influence of 3D-printing conditions on physical properties of hydrogel objects, Mechanical engineering journal, 5(1), 17-00538. 2018.
15. Nakajima, T., Takedomi, N., Kurokawa, T., Furukawa, H., & Gong, J. P., A facile method for synthesizing free-shaped and tough double network hydrogels using physically crosslinked poly (vinyl alcohol) as an internal mold, Polymer Chemistry, 1(5), 693-697, 2010.
16. Sun, J. Y., Zhao, X., Illeperuma, W. R., Chaudhuri, O., Oh, K. H., Mooney, D. J., Suo, Z., Highly stretchable and tough hydrogels, Nature, 489(7414), 133-136, 2012.
17. Li, J., Suo, Z., & Vlassak, J. J., Stiff, strong, and tough hydrogels with good chemical stability, Journal of Materials Chemistry B, 2(39), 6708-6713, 2014.
18. Haque, M. A., Kurokawa, T., Kamita, G., & Gong, J. P., Lamellar bilayers as reversible sacrificial bonds to toughen hydrogel: hysteresis, self-recovery, fatigue resistance, and crack blunting, Macromolecules, 44(22), 8916-8924, 2011.
19. Hu, J., Hiwatashi, K., Kurokawa, T., Liang, S. M., Wu, Z. L., & Gong, J. P., Microgel-reinforced hydrogel films with high mechanical strength and their visible mesoscale fracture structure, Macromolecules, 44(19), 7775-7781, 2011.
20. Lin, S., Cao, C., Wang, Q., Gonzalez, M., Dolbow, J. E., & Zhao, X., Design of stiff, tough and stretchy hydrogel composites via nanoscale hybrid crosslinking and macroscale fiber reinforcement, Soft matter, 10(38), 7519-7527, 2014.
21. Zhu, L., Xiong, C. M., Tang, X. F., Wang, L. J., Peng, K., & Yang, H. Y., A double network hydrogel with high mechanical strength and shape memory properties, Chinese Journal of Chemical Physics, 31(3), 350-358, 2018.
22. Chen, Y., Qiao, S., Yu, J., Wang, Y., Zhu, J., & Hu, Z., A novel dual responsive nanocomposite double network hydrogel with good mechanical property, In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 186(2), 012042, 2018.
23. Gu, Z., Huang, K., Luo, Y., Zhang, L., Kuang, T., Chen, Z., & Liao, G., Double network hydrogel for tissue engineering. Wiley Interdisciplinary Reviews, Nanomedicine and Nanobiotechnology, 10(6), e1520, 2018.
24. Bae, K. H., Wang, L. S., & Kurisawa, M., Injectable biodegradable hydrogels: progress and challenges, Journal of Materials Chemistry B, 1(40), 5371-5388, 2013.
25. Chen, H., Chen, Q., Hu, R., Wang, H., Newby, B. M. Z., Chang, Y., & Zheng, J., Mechanically strong hybrid double network hydrogels with antifouling properties, Journal of Materials Chemistry B, 3(27), 5426-5435, 2015.
26. Ying, Z., Wang, Q., Xie, J., Li, B., Lin, X., & Hui, S., Novel electrically-conductive electro-responsive hydrogels for smart actuators with a carbon-nanotube-enriched three-dimensional conductive network and a physical-phase-type three-dimensional interpenetrating network, Journal of Materials Chemistry C, 8(12), 4192-4205, 2020.
