任格瑞副教授和吴英杰硕士研究生于2025年4月在国际期刊Separation and Purification Technology （Q1，IF: 8.2）发表题为“From weak to strong: the construction of dynamic reversible hydrogen bond in polyaspartic acid double network hydrogel”的研究性论文。
文章导读
聚天冬氨酸水凝胶通过其独特的三维网络结构，形成了具有多孔特征的微观形貌，这种结构特性赋予聚天冬氨酸水凝胶优异的吸水能力和长效保水性能。由于其天然可降解性，作为新型环境友好型功能材料，该水凝胶在农林领域的土壤改良与节水栽培方面展现出重要应用前景，被认为是传统聚丙烯酸类/聚丙烯酰胺类保水剂的理想替代品。然而，该材料在机械性能方面仍存在显著缺陷，其抗压强度、弹性恢复率和断裂韧性等关键指标尚无法满足实际应用需求，这成为制约其产业化应用的主要技术瓶颈。
本研究通过设计一种基于羧甲基纤维素 （CMC）的新型聚天冬氨酸（PASP）双网络 （DN）水凝胶，解决了PASP水凝胶力学性能差的问题。CMC中的氢键相互作用有助于自交联形成牺牲键网络。非共价氢键产生可逆的物理交联点，使水凝胶在变形后愈合并耗散能量，从而增强其机械性能。 PASP/CMC6:5水凝胶压缩应力为 1193 kPa，模量为 1198.78 Pa，韧性为 7359.3 J·m−3在 90% 应变下，分别是 PASP 水凝胶的 29倍、28倍和 53倍。此外，PASP/CMC 水凝胶也表现出显着的溶胀行为，遵循二阶动力学模型。PASP/CMC6:3水凝胶在高离心力下表现出 98.3% 的保水能力，在土壤中表现出 61.2% 的保水能力，显著优于 PASP 水凝胶。在鹰嘴豆盆栽实验中，在沙质土壤中添加 PASP/CMC 水凝胶显著提高了植物的生长性能。与传统的保水剂相比，PASP/CMC DN水凝胶表现出优异的生物降解性，为减少环境污染提供了新的解决方案。
研究亮点：
1、聚天冬氨酸/羧甲基纤维素双网络水凝胶的成功制备
双网络结构有效解决了 PASP 水凝胶力学性能弱的问题
2、PASP/CMC DN 水凝胶表现出优异的溶胀和保水性能
3、PASP/CMC DN 水凝胶显著促进了鹰嘴豆的生长
4、PASP/CMC DN 水凝胶可生物降解且对环境无害
图文赏析
图1.（A）PASP和PASP/CMC水凝胶的制备流程图。（B）PASP和PASP/CMC水凝胶的实物照片。（C）PASP/CMC双网络结构的形成示意图。PSI、CMC、PASP和PASP/CMC水凝胶的FTIR（D）和XRD（E）图谱。PASP和PASP/CMC水凝胶的TGA（F）。PASP和PASP/CMC水凝胶的流变性能（G），流变拟合Tan δ值（H），含水量（I）。
图2. PASP和PASP/CMC水凝胶的SEM图像和孔径分布。
图3. 90%压缩应变时，PASP和PASP/CMC水凝胶的压缩应力-应变曲线（A）、压缩全程（B）、压缩模量和滞后能（C）。PASP和PASP/CMC水凝胶的拉伸应力-应变曲线（D）、断裂应变和应力（E）、拉伸模量和韧性（F）。
图4. PASP/CMC DN水凝胶的五次压缩循环（A-E）。PASP/CMC DN水凝胶压缩后的滞后能和滞后比（F）循环。PASP/CMC DN水凝胶在压缩过程中网络结构变化和能量耗散的示意图（G）。
图5. PASP和PASP/CMC水凝胶在去离子水（A）、0.1 M尿素溶液（B）和0.1 M NaCl溶液（C）中的溶胀过程。PASP和PASP/CMC水凝胶在去离子水（D）、0.1 M尿素溶液（E）和0.1 M NaCl溶液（F）中的一级溶胀动力学。PASP和PASP/CMC水凝胶在去离子水（G）、0.1 M尿素溶液（H）和0.1 M NaCl溶液（I）中的二级溶胀动力学。PASP和PASP/CMC水凝胶在五次重复溶胀后的SEM（J-O）。PASP和PASP/CMC水凝胶五次重复溶胀的溶胀率（P）。
图6. PASP和PASP/CMC在7000 rpm（A）、10000 rpm（B）和13000 rpm（C）下的离心保水性能。PASP和PASP/CMC水凝胶的土壤保水性能（D）。PASP和PASP/CMC水凝胶对土壤持水能力的影响（E）。PASP和PASP/CMC水凝胶的生物降解速率（F）。PASP和PASP/CMC6:3水凝胶模拟干旱条件下鹰嘴豆的种植过程。
作者简介
第一作者
吴英杰，浙江工商大学食品与生物工程学院2023级硕士研究生。主要从事食品胶体与营养和双网络水凝胶的构建机制方向研究。目前以第一作者发表SCI论文1篇，其他作者发表SCI论文2篇。
通讯作者
任格瑞，博士，副教授，硕士生导师。2010年博士毕业于郑州大学，有机化学专业，师从吴养洁院士，在两次诺贝尔化学奖得主K. Barry Sharpless教授课题组从事访问学者工作。主要从事食品胶体与营养、蛋白质改性、智能保鲜和营养物质包埋与递送等方面研究。先后主持国家自然科学基金（面上、青年项目）、浙江省基础公益研究计划，浙江省教育厅科研项目，浙江省食品科学与工程重中之重一级学科开发基金等项目。在Angewandte Chemie International Edition, Food Hydrocolloids, Food Chemistry, Food Research International, Organic Chemistry, LWT - Food Science and Technology等国内外期刊和杂志发表论文40余篇，其中高被引论文7篇，申请和授权国家专利4件。担任浙江省基础公益计划项目，广东省基础与应用基础研究基金项目，河南省科技厅项目评审专家；担任Food & Function, Food Hydrocolloids, Food Chemistry, International Journal of Biological Macromolecules, Food Research International, Food Control, Food Bioscience等杂志审稿人。