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小材科研|西安交大卢同庆教授提出一种用于水凝胶强力粘附的通用策略


北京联盟_本文原题：西安交大卢同庆教授提出一种用于水凝胶强力粘附的通用策略
在过去的几年里 ， 人们致力于实现水凝胶与各种软硬材料的粘合 。 其中水是水凝胶粘接的主要障碍 。 水凝胶中的水分子可能会阻碍聚合物网络与附着表面的紧密接触 。 即使有一层水分子与贴壁强力结合 ， 其结合力也不能传递到相邻的水分子和聚合物网 。 因此 ， 要将水凝胶与另一种材料粘在一起 ， 就需要利用聚合物网络的化学或物理特性 。 一种方法是在聚合物网络上合成具有特定官能团的水凝胶 ， 并与贴壁发生界面反应 。 另一种方法是通过将聚合物链穿入水凝胶和粘附体中 ， 触发聚合物的交联 ， 与已有的网络形成新的拓扑缠结 ， 形成拓扑粘附 。 因此 ， 新形成的网络可以在分子尺度上像缝线一样把它们缝合在一起 。 为了进一步增强通过化学结合或拓扑纠缠实现的界面粘附 ， 界面链接必须有效地传递力 ， 并导致水凝胶本体和附着体中的能量耗散 。
目前的两种水凝胶粘接方法在通用性上存在普遍的局限性 。 通过化学结合的粘合 ， 要求水凝胶或附着体具有特定的化学基团 。 此方法仅适用于化学设计的水凝胶或表面改性后的附着物 。 具有特定化学结构和修饰附着体的水凝胶合成程序通常需要严格的反应条件、耗时的预处理或使用有毒试剂 。 为了通过物理拓扑缠结进行粘接 ， 要求粘接体具有多孔的微观结构 。 这种方法只适用于多孔附着体如水凝胶和活体组织 。 因此 ， 存在一个根本的挑战:水凝胶和不同材料的可拉伸器件集成需要一个简单和通用的策略 。
小材科研|西安交大卢同庆教授提出一种用于水凝胶强力粘附的通用策略
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在此 ，西安交通大学卢同庆教授及高扬博士提出一种结合化学粘合和拓扑缠结两种方法的缝合粘合策略 ， 可以实现任意水凝胶与附着体之间的粘接 。 在粘接界面上添加具有多功能官能团和可触发的交联性能的聚合物链 。 聚合物链可以扩散到水凝胶网络中 ， 并在触发作用下交联 ， 原位形成的聚合物网络通过与已有网络的拓扑缠绕 ， 将水凝胶像分子缝线一样缝合起来 ， 而不需要对水凝胶进行任何特定的化学设计 。 而聚合物链上的悬挂官能团通过各种化学作用直接与基体表面结合 ， 不需要任何表面预处理或修饰(图1a) 。 该项研究成果以“ A universal strategy for tough adhesion of wet soft material”为题发表在国际著名期刊 Advanced Functional Materials上 。
在这项工作中 ， 基于仿生贻贝 ， 证明了邻苯二酚改性的聚合物溶液可以作为一种通用胶水 ， 使水凝胶轻易地附着在各种基质上 ， 如金属、玻璃、弹性体、塑料和活体组织 ， 可以达到的粘附能达到≈900J/m2 。
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图1-水凝胶粘接的通用策略原则 。
通过EDC/NHS偶联剂将含有邻苯二酚的小分子(如多巴胺)接枝到带有羧基基团的聚合物链(如聚丙烯酸 ， PAA)上制备了胶聚合物(图1b) 。 在典型的粘接过程中 ， 首先将聚合物胶水涂在水凝胶表面 ， 并让其扩散到水凝胶网中一段时间 。 然后将NaIO4作为氧化剂加入到附着体的表面 ， 并立即将涂有聚合物胶水的水凝胶压在附着体上(图1c) 。 氧化剂扩散到水凝胶网络中 ， 并通过两个邻苯二酚偶联引发了胶聚合物链的分子间交联 。 新形成的网络与水凝胶原有的网络相互缠结 。 同时 ， 邻苯二酚与附着表面发生化学作用 。 因此 ， 水凝胶和通过聚合物胶水的附着力可以在几分钟内实现 。
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图2-邻苯二酚化学引起水凝胶在不同底物上的广泛粘附 。
这一策略适用于各种各样的水凝胶和附着体 。 首先使用聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶和多巴胺接枝的PAA（聚丙烯酸）聚合物作为案例 。 将PAAm水凝胶粘在一系列代表性的附着物上 ， 包括玻璃、云母、氧化铝(Al2O3)、氧化铜(CuO)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、猪肝脏和皮肤 。 图2b显示 ， 在剥离过程中 ， PAAm水凝胶与所有被测试的附着力呈现出牢固的结合界面 。


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