Multi-responsive Hydrogel Featuring Synergistic Regulation of AIE and Mechanical Behaviors via Dynamic Hydrogen Bonding Network

doi:10.7503/cjcu20250381

Abstract

Abstract:

A multi-stimuli-responsive hydrogel， P（VI-co-MAAC-NE）， was successfully constructed by covalently integrating the aggregation-induced emission（AIE） moiety（Z）-N-（4-（1-cyano-2-（4-（diethylamino）phenyl）vinyl）- phenyl）methacrylamide（NE） into a dynamic hydrogen-bonding network composed of 1-vinylimidazole（VI） and methacrylic acid（MAAC） groups. The dense hydrogen-bonding network not only provides enhanced mechanical robustness， but also significantly enhances the AIE effect of NE by restricting its molecular motion. Under various external stimuli， the hydrogen bonds within the hydrogel network undergo reversible dissociation and reformation， thus enabling synergistic modulation of the hydrogel’s mechanical properties and luminescence behavior. Specifically， organic solvents disrupt the hydrogen-bonding network and the aggregation of the AIE moiety NE， resulting in macroscopic swelling and fluorescence quenching of the hydrogel. In strongly acidic conditions， protonation of NE molecules suppresses the intramolecular charge transfer（ICT） process， yielding a blue-shifted emission band accompanied by intense blue fluorescence； in highly alkaline environments， deprotonation of carboxyl groups induces hydrogel swelling and disperses NE aggregates， leading to pronounced fluorescence quenching. Moreover， the system exhibits thermally activated shape-memory behavior： heating above the glass transition temperature（T_g： ca. 62 ℃） softens the hydrogel to allow programmable reshaping， and subsequent hydrogen bond reformation at ambient conditions locks in the resultant geometries without sacrificing the hydrogel’s fluorescence performance. By capitalizing on these multi-stimuli-responsive characteristics and shape-memory behavior， the potential of hydrogel P（VI-co-MAAC-NE） for advanced information encryption and anti-counterfeiting applications is demonstrated. This work not only provides a versatile material platform for sensing and information storage， but also offers new insights into the design of intelligent soft materials integrating AIE features with dynamically regulated supramolecular network structures.

Key words: Aggregation-induced emission（AIE）, Multi-responsive hydrogel, Mechanical properties, Hydrogen bonds network

CLC Number:

O632

TrendMD:

ZHANG Yangdaiyi, SHAO Yan, JIANG Shimei. Multi-responsive Hydrogel Featuring Synergistic Regulation of AIE and Mechanical Behaviors via Dynamic Hydrogen Bonding Network[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(4): 20250381.

Figures/Tables 5

Fig.1 Stress⁃strain curves(A) and fluorescence spectra(B) of hydrogel and organogel, FTIR spectra(C, D) of PVI hydrogel, PMAAC hydrogel, P(VI⁃co⁃MAAC) hydrogel and P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel, photographs of swelling behavior and fluorescence change(E) of P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel in DMSO and water under natural light and UV light after reaching equilibrium, along with a schematic illus⁃tration of the internal structural change(the length of each grid is 0.5 cm)

Fig.2 Swelling ratio(A), stress⁃strain curves(B) and corresponding Young’s modulus(E), breaking strain(εb), and tensile breaking stress(σb)(C) of P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel at different pH values, and schematic illustration of hydrogen⁃bonding changes in P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel under different pH conditions(D)

Fig.3 Fluorescence spectra(A, B) of P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel measured under different pH conditions, and schematic illustration of the structural changes(C) of the hydrogel in strongly acidic(pH≤2) and strongly alkaline(pH≥11) environments

Fig.4 Stress⁃strain curves(A) and corresponding E, εb, and σb(B) of the hydrogel measured at different temperatures(tensile rate: 100 mm/min), temperature⁃sweep rheological curve from 30 ℃ to 90 ℃(frequency: 1 Hz, strain: 0.05%)(C), DSC thermogram obtained at a heating rate of 5 ℃/min(D), shape⁃memory behavior of a strip⁃shaped P(VI⁃co⁃MAAC⁃NE) hydrogel observed under UV light(the scale bar is 1 cm)(E), and schematic of the proposed shape⁃memory mechanism during heating and cooling(F)

Fig.5 Programmable information encryption and erasure via multi⁃stimuli⁃responsive shape and fluorescence switching

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