Strong, Tough, and Biocompatible Poly(vinyl alcohol)–Poly(vinylpyrrolidone) Multiscale Network Hydrogels Reinforced by Aramid Nanofibers

自愈水凝胶 乙烯醇 材料科学 纳米纤维 生物相容性 极限抗拉强度 复合材料 韧性 化学工程 纳米技术 聚合物 高分子化学 工程类 冶金
作者
Dongchao Ji,Zhibo Zhang,Jingxuan Sun,Wenxin Cao,Zhuochao Wang,Xiaolei Wang,Tengyue Cao,Jiecai Han,Jiaqi Zhu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (19): 25304-25316 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.4c02354
摘要

Poly(vinyl alcohol) (PVA) hydrogels are water-rich, three-dimensional (3D) network materials that are similar to the tissue structure of living organisms. This feature gives hydrogels a wide range of potential applications, including drug delivery systems, articular cartilage regeneration, and tissue engineering. Due to the large amount of water contained in hydrogels, achieving hydrogels with comprehensive properties remains a major challenge, especially for isotropic hydrogels. This study innovatively prepares a multiscale-reinforced PVA hydrogel from molecular-level coupling to nanoscale enhancement by chemically cross-linking poly(vinylpyrrolidone) (PVP) and in situ assembled aromatic polyamide nanofibers (ANFs). The optimized ANFs–PVA–PVP (APP) hydrogels have a tensile strength of ≈9.7 MPa, an elongation at break of ≈585%, a toughness of ≈31.84 MJ/m3, a compressive strength of ≈10.6 MPa, and a high-water content of ≈80%. It is excellent among all reported PVA hydrogels and even comparable to some anisotropic hydrogels. System characterizations show that those performances are attributed to the particular multiscale load-bearing structure and multiple interactions between ANFs and PVA. Moreover, APP hydrogels exhibit excellent biocompatibility and a low friction coefficient (≈0.4). These valuable performances pave the way for broad potential in many advanced applications such as biological tissue replacement, flexible wearable devices, electronic skin, and in vivo sensors.
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