湿软材料粘接的通用策略

湿软材料粘接的通用策略

引言

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发表期刊：AFM（IF=19.9）

通讯单位：西安交通大学航空航天学院

湿软材料粘结是水凝胶领域存在的一个固有问题。传统解决思路是（1）利用水凝胶上的官能团与附着物发生界面反应实现连接。（2）引入能够在水凝胶和被黏附物中渗透的聚合物链，使得聚合物链在拓扑缠绕中形成新网络实现黏附。以上方法存在缺陷：需要对水凝胶进行结构设计和需要对黏附表面预处理。本文从儿茶酚化学的启发出发，引入具有多功能官能团和可触发交联性质的聚合物链。聚合物链可以通过与预先存在的水凝胶网络形成拓扑纠缠的网络来缝合水凝胶，并通过多种化学相互作用直接与粘附表面结合。

水凝胶粘附的通用策略原理。a)缝合机理示意图。b)以多巴胺接枝的PAA作为胶聚合物，NaIO4作为分子间交联的触发器，说明了该原理。c)水凝胶粘附的操作过程。

实验思路

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①将含有儿茶酚的小分子接枝在带有羧基的聚合物链上制备成胶水聚合物。

②将胶水聚合物水溶液涂在任意水凝胶表面一段时间。

③用NaIO4氧化两个儿茶酚基团实现偶联，使得新网络与原水凝胶网络实现拓扑连接。

不同黏着物的黏附性能测试

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儿茶酚基团与许多材料体系相互作用:硅酸盐构成的无机固体可以与儿茶酚上的双齿羟基形成氢键;含有烷烃链或苯环的有机固体可以通过疏水相互作用或π -π堆叠与儿茶酚上的苯环有效相互作用；金属可以与双齿羟基形成金属离子配位键；含有活性胺或巯基的活组织可以通过迈克尔加成与氧化儿茶酚形成共价键。图2b显示，在剥离过程中，PAAm水凝胶与所有被测试的粘附物表现出坚韧的结合界面。水凝胶明显的大变形和粘接前缘出现的刷毛状是界面韧性高的直接标志。

儿茶酚化学诱导水凝胶粘附到不同的底物上。a)五种主要儿茶酚-表面相互作用的示意图。b)实验照片和c) PAAm水凝胶粘附在一系列代表性底物上的粘附能。

缝合策略的机理

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缝合-键合机制要求胶聚合物包含三种成分:长链聚合物作为主链，在主链上接枝多巴胺分子作为功能垂坠，NaIO4氧化剂作为分子间交联的触发剂。我们测试了每种成分的功能。我们以PAAm水凝胶和玻璃基板为例。如果只在水凝胶-玻璃界面涂覆PAA溶液，PAA链既不能通过化学或物理相互作用与玻璃基板结合，也不能形成新的网络来缝合原有的水凝胶网络。

粘附能是几个变量的函数。典型工艺是先将440µL的多巴胺接枝PAA聚合物溶液(5 wt%，多巴胺/-COOH摩尔比= 1.66)涂抹在PAAm水凝胶表面，等待2 min渗透。然后在玻璃表面加入100µL的NaIO4水溶液(NaIO4/多巴胺的摩尔比= 1)，在上面压上带胶聚合物的水凝胶，粘附1h。每个变量的影响是通过改变一个变量而其他变量固定来研究的。粘附能随a)多巴胺/-COOH摩尔比的变化而变化。b) NaIO4/多巴胺的摩尔比。c)渗透时间，d)粘附时间。

拓扑连接的作用

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由多巴胺接枝的聚电解质氧化聚合形成的凝胶网络通常是弱的。当单独使用该凝胶网络作为粘结剂整合粘附物时，据报道粘结强度低于5kpa，粘接层容易发生断裂。相反，在这项工作中，附着力可以相当坚韧。这主要是由于水凝胶与粘附物之间的胶聚合物网络形成了独特的连接拓扑结构。

连接拓扑结构对粘附能的影响。a)以PAAm水凝胶和猪肝为粘附体的三种不同连接拓扑示意图及b)它们的粘附能。

结论

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这是一种简单而普遍的粘合策略，即不同水凝胶和粘附物之间的缝合粘合策略。使用具有可触发交联性能和多功能键合能力的聚合物链是实现粘接的关键。这些胶水聚合物能够在拓扑上与水凝胶网络缠结，并与粘附表面发生化学相互作用，形成独特的缝合连接拓扑。利用儿茶酚化学来实现胶聚合物的功能。其他具有类似性质的化学成分也可能成为合成胶水聚合物的工具箱。简单和通用的粘附策略使不同的材料通过水凝胶组装。特别是，可以实现各种硬或软材料与活体组织的集成，这在医学和工程应用中显示出巨大的潜力。

转自：“科研一席话”微信公众号

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