福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)針對可穿戴傳感器、軟機(jī)器人、組織工程和傷口敷料等領(lǐng)域?qū)��?qiáng)粘附性水凝膠的迫切需求，開展了創(chuàng)新性研究。目前，界面粘附傳感材料普遍存在兩大技術(shù)瓶頸：一是難以實(shí)現(xiàn)粘附與非粘附狀態(tài)間的快速可逆轉(zhuǎn)換，二是多液體環(huán)境中的粘附性能表現(xiàn)不佳。近期，該團(tuán)隊(duì)借助國儀量子掃描電鏡進(jìn)行了深入研究。通過丙烯酰胺（AAm）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、由十二烷基硫酸鈉/甲基丙烯酸十八烷基酯/氯化鈉（SDS/OMA/NaCl）組成的膠束溶液和磷鎢酸（PTA），合成了PANC/T水凝膠。

通過PNIPAM鏈段和SDS的動態(tài)相互作用，實(shí)現(xiàn)了按需粘附和分離。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過Fe³⁺溶液的浸泡，制備的PANC/T-Fe水凝膠可以在多種濕環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘附。最終開發(fā)出一種具有快速響應(yīng)特性的智能界面粘合水凝膠，可在不同濕度條件下實(shí)現(xiàn)按需粘附與分離。該研究以題為“Temperature-Mediated Controllable Adhesive Hydrogels with Remarkable  Wet Adhesion Properties Based on Dynamic Interchain Interactions”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
 

可控粘附水凝膠的合成與結(jié)構(gòu)特性

PANC/T-Fe水凝膠由親水性AAm、兼具親水和疏水特性的NIPAM以及疏水性O(shè)MA通過共聚反應(yīng)合成，其中PTA起到交聯(lián)作用，與聚合物鏈上的氨基形成氫鍵，構(gòu)建起穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)驗(yàn)過程中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)NIPAM和SDS間的相互作用對水凝膠的溫度敏感粘附性能至關(guān)重要。隨著溫度降低，SDS結(jié)晶易于附著在PNIPAM鏈段，阻礙粘附功能基團(tuán)與基材作用，導(dǎo)致粘附力下降；溫度升高時，結(jié)晶融化，粘附基團(tuán)與基材接觸更好，粘附力顯著提升。PTA的引入增強(qiáng)了水凝膠在高溫下的粘附力，因其與聚合物鏈的氨基存在物理相互作用，溫度升高時該相互作用被破壞，使水凝膠變軟，與底物形成更多粘附位點(diǎn)。通過水凝膠聚合物鏈間的動態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了可逆的按需粘附。

圖1. 水凝膠合成及可逆濕粘附作用機(jī)理圖。

溫度對粘附性能的調(diào)控機(jī)制

圖2.水凝膠溫度敏感粘附性機(jī)理探究
 

按需粘附特性與濕環(huán)境強(qiáng)粘附性能

PANC/T-Fe 水凝膠具有按需粘附特性，無需外部能量輸入，僅通過簡單冰敷即可實(shí)現(xiàn)粘附轉(zhuǎn)換。在室溫（25°C）下，水凝膠柔軟且粘性強(qiáng)，與玻璃分離時不易剝離且會產(chǎn)生殘留；通過簡單的冰敷，凝膠內(nèi)聚力增加，彈性增強(qiáng)，剝離變?yōu)榱夹詣冸x，且低溫下粘附強(qiáng)度降低，冷卻時間延長也會降低粘附強(qiáng)度。溫度循環(huán)測試表明，其粘附性能在5°C至 25°C的多次循環(huán)測試中基本保持不變，展現(xiàn)出良好的可逆性，可在多種環(huán)境中按需粘附，在組織愈合、材料按需修復(fù)和濕環(huán)境驅(qū)動器等方面具有重要應(yīng)用潛力。

圖3. 具有可逆粘附性的PANC/T-Fe水凝膠的性能測試

PANC/T-Fe水凝膠多種液態(tài)環(huán)境的濕粘附性能

圖4.PANC/T-Fe水凝膠在多種液態(tài)環(huán)境下的濕粘附性能
 

圖 S10. Fe3+浸泡前后PANC/T水凝膠截面的SEM圖像顯示，F(xiàn)e3+浸泡后，PANC/T水凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更加松散，表明鏈的遷移。

PANC/T-Fe水凝膠對破損材料的修復(fù)性能

圖5.PANC/T-Fe水凝膠對材料的臨時修復(fù)性能

總結(jié)

該研究成功合成了具有多種環(huán)境強(qiáng)粘附和可逆粘附性能的 PANC/T-Fe 水凝膠，深入揭示了動態(tài)鏈間相互作用對水凝膠粘附性能的影響機(jī)制，為新型智能粘附材料的設(shè)計提供了理論依據(jù)。其按需粘附特性無需外部能量，僅通過冰敷即可實(shí)現(xiàn)，為智能粘附材料在液體環(huán)境中的應(yīng)用提供了新思路。這種水凝膠在粘附性能調(diào)控方面的創(chuàng)新，有望在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動智能粘合劑技術(shù)的發(fā)展，為解決材料粘附相關(guān)問題提供了新的解決方案。