Tough and Processable Hydrogels Based on Lignin and Hydrophilic Polyurethane

自愈水凝胶 木质素 材料科学 聚氨酯 复合材料 化学工程 高分子化学 高分子科学 化学 有机化学 工程类
作者
Farshad Oveissi,Sina Naficy,Thi Yen Loan Le,David F. Fletcher,Fariba Dehghani
出处
期刊:ACS applied bio materials [American Chemical Society]
卷期号:1 (6): 2073-2081 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acsabm.8b00546
摘要

Lignin is a low-cost, natural polymer with abundant polar sites on its backbone that can be utilized for physical cross-linking of polymers. Here, we use lignin for additional cross-linking of hydrophilic polyether-based polyurethane (HPU) hydrogels, aiming to improve their mechanical properties and processability. Without reducing the swelling, simple addition of 2.5 wt % lignin increases the fracture energy and Young's modulus of HPU hydrogels from, respectively, 1540 ± 40 to 2050 ± 50 J m–2 and 1.29 ± 0.06 to 2.62 ± 0.84 MPa. Lignin also increases the lap shear adhesiveness of hydrogels and induces an immediate load recovery of 95%. We further confirm that hydrogen bonding is the dominant toughening mechanism and elucidate the toughening mechanism by applying the Lake-Thomas and a recently developed sequential debonding theory. We show that unlike the Lake–Thomas theory, the latter model is able to capture the impact of lignin on toughening of hydrogels. Moreover, the lignin-loaded HPU hydrogels are easily processable by various techniques, such as fiber spinning, casting, and 3D printing and are biocompatible with primary human dermal fibroblasts.
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