付国东，教授 化学化工学院

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（1）基于分子和成设计，精确控制凝胶网络的分子空间结构与功能

（2）发展新型聚合方法，制备超高强度的凝胶，其包括可控点击化学制备规整聚合物凝胶网络：规整高强度水凝胶网络结构、双交联凝胶网络结构、双网络凝胶网络结构、仿生智能凝胶网络结构、组织工程支架网络结构；

（3）制备自愈合及催化功能的凝胶网络。包括离子交联或金属配合物制备凝胶：季胺盐水凝胶网络结构、金属配合物水凝胶网络结构。

（4）反应中加工制备凝胶器件。

（5）分子模拟手段构建水凝胶分子构象与宏观性质的关系。

课题组从成立至今，已经具备了比较完善的实验设备，良好的研究条件和浓厚的科研氛围，已发表论文50余篇，申请和授权专利10余项，编著书册、章节10余本（章）。课题组在活跃自由的科研环境中，充分发挥自身的研究天赋，培养学生独立的科研能力和开阔的国际视野。

1、高强度水凝胶的合成与表征

本项目中对聚乙二醇（PEG）末端羟基和氧化石墨烯进行化学改性，形成点击反应所需的炔基和叠氮基团。合成双叠氮聚乙二醇，合成大分子多炔基聚乙二醇衍生物，从而进行点击反应合成以聚乙二醇为主体的水凝胶。采用“点击化学”，石墨烯氧化反应与胺基-环氧点击聚合反应。将合成的含多炔的聚乙二醇大分子衍生物与多叠氮氧化石墨烯进行点击反应，得到聚乙二醇-氧化石墨烯凝胶，可用于生物材料和医学组织工程。

2、精确控制分子结构制备功能性水凝胶

可控的分子结构和功能的高强度水凝胶在具有膜功能仿生器件领域有着巨大的应用前景。点击化学可以制备结构规整高强度的聚合物网络，而活性自由聚合可以引入特殊官能团而且能控制聚合物分子量，活性自由基聚合与点击化学技术结合是制备分子结构与功能精确控制的高强度凝胶网络的办法。通过可逆加成-断裂转移聚合制备的大分子末端官能团可以转换为叠氮基团。而目前的方法只能单官能度置换，不能满足凝胶网络制备多官能度的要求，同时不能制备拓扑结构和功能精确控制的凝胶网络。因此利用3-溴丙基马来酰亚胺和β-蒎烯单体不能自聚的特点，在大分子精确合成与设计的基础上，将精确数量的官能团引入聚合物链末端，合成具有多官能度拓扑结构的大分子，然后再通过点击化学技术制备成分子拓扑结构规整、功能精确控制的系列凝胶网络。这种方法的发展，丰富了功能聚合物凝胶网络的制备方法，为探索聚合物凝胶网络在具有生物膜功能仿生器件中的应用提供了材料基础。

3、凝胶三维分子结构的精确调控

拓展高强度凝胶的各领域应用的关键是对凝胶的特定部位进行精确的修饰和改性。这里我们在分子设计合成技术的基础上，对凝胶进行精确的修饰。如图所示, 我们合成只在凝胶表面，凝胶总体均匀改性及梯度改性的具有精确分子结构的凝胶。

4、控制点击化学制备规整水凝胶网络结构

CuAAC反应活化能低，反应速度极快，通常在催化剂与反应物接触后瞬间反就。在利用CuAAC反应制备凝胶过程中，在反应过程中加入催化剂体系Cu(I)与配体，加入的点催化剂浓度大又大，迅速凝胶化，将催化剂包裹在聚合物网络中，不易扩散。因此，催化剂的扩散对反应具有极为重要的影响。在常见的CuAAC制备非交联体系的反应中，由于反应体系不产生凝胶现象，同时借助搅拌作用，催化剂在反应体系中均匀分布，扩散对反应的影响可以忽略。然而对于CuAAC制备交联网络结构的水凝胶，凝胶现象瞬间出现，同时反应中不能实施搅拌，因此催化剂体系Cu(I)与配体在反应体系中扩散受限，对于凝胶网络的制备影响极大，通常会造成缺陷导致凝胶强度下降。而控制点击化学反应，在无搅拌情况下消除了传统CuAAC反应体系中催化剂扩散的难题。在控制CuAAC点击化学反应中，我们将催化剂制备成易溶解、稳定的休眠种状态。休眠状态的催化剂溶解在反应体系中，均匀地分散在反应体系里。在外在条件下（如光、热），唤醒休眠种，使催化剂由催化休眠状态还原成催化活性状态，完成CuAAC反应。

5、刺激响应性自修复凝胶的制备

在外界不同环境的刺激下，金属配位聚合物凝胶能显示出自修复功能。

6、计算机模拟构建水凝胶分子构象与宏观性质关系

高分子水凝胶在生物组织支架中有广阔应用前景，这些前景决定于PEG凝胶的物理性质如强度、韧性和溶胀率等，并最终决定于凝胶网络在分子水平的拓扑结构和构象。传统的微观表征方法如扫描电镜法，很难提供溶胀凝胶(一般凝胶的使用状态)在纳米级的精确结构。而分子模拟能在分子层面操控和模拟水凝胶网络的微观结构，并预测其宏观性能，无疑能加深对水凝胶结构-性能关系的理解，为凝胶合成和应用提供强力支持。

Monte Carlo是一种基于随机数的抽样计算方法，可以方便的用来研究软物质的结构与动力学，我们将其用于模拟溶胀凝胶的分子结构。建模过程包括连续的三步：交联点扩散、交联和网络松弛收缩。为验证模型，与实验中溶胀凝胶比对，参数化约束得到模型中的实际长度。参数化后由模型计算得到微观结构数据与文献报道值一致且呈高斯分布，证明了模型的正确性。模型得到的“理想”凝胶网络的3D拓扑结构与至今常用的正四面体等规则模型不同，且更接近现实。