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  將水凝膠與多種異質(zhì)材料（例如金屬，陶瓷，彈性體，塑料和生物組織）結(jié)合在一起對(duì)于許多新興技術(shù)，例如柔性電子，軟機(jī)器人，人機(jī)界面，藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)等至關(guān)重要。近年來(lái)，MIT、哈佛大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)在水凝膠軟濕界面粘接領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。但是現(xiàn)有的水凝膠粘接方法仍存在界面預(yù)處理復(fù)雜、方法局限性大等問(wèn)題。例如，通過(guò)化學(xué)鍵進(jìn)行粘合的方法需要水凝膠或者粘接基底具有特定的官能團(tuán)，這使得反應(yīng)條件嚴(yán)格、反應(yīng)耗時(shí)、且會(huì)用到有毒物質(zhì)；通過(guò)物理拓?fù)淅p繞的方法雖然不需要特定的官能團(tuán)，但是此方法只適用于有微孔結(jié)構(gòu)的基底，如水凝膠和生物組織。

  針對(duì)這一問(wèn)題，西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室研究人員盧同慶教授和高揚(yáng)副教授提出通用粘接的概念，實(shí)現(xiàn)了水凝膠與多種異質(zhì)材料的強(qiáng)韌粘接。該方法以聚丙烯酸接枝兒茶酚形成的長(zhǎng)鏈聚合物作為膠水，簡(jiǎn)單方便地使多種水凝膠與多種材料（玻璃、金屬、塑料、彈性體、生物組織）形成有效粘接。

1、通用粘接方法的基本原理：“縫合-成鍵”策略

圖1 通用粘接的機(jī)理示意圖

  實(shí)現(xiàn)通用粘接，無(wú)需對(duì)水凝膠和粘接基底表面做任何修飾或處理。研究人員提出了將物理拓?fù)淅p繞作用與化學(xué)鍵合相結(jié)合的“縫合-成鍵”策略。作為膠水的聚合物溶液可以擴(kuò)散到水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，帶有特殊官能團(tuán)的聚合物長(zhǎng)鏈在氧化劑的觸發(fā)下發(fā)生交聯(lián)，原位形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)像“分子縫線(xiàn)”一樣與水凝膠網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅p繞在一起，同時(shí)聚合物鏈上的官能團(tuán)可以通過(guò)各種相互作用與不同基底材料鍵合在一起（圖1a）。受自然界的貽貝粘接啟發(fā)，兒茶酚分子不僅可以自聚合而且可與不同基底粘接，因此提出了將兒茶酚單體接枝在天然高分子長(zhǎng)鏈上作為膠水實(shí)現(xiàn)通用粘接策略（圖1b）。以PAAM水凝膠為例，研究人員將膠水涂覆在水凝膠表面，靜置數(shù)分鐘，待帶有兒茶酚的聚丙烯酸鏈滲透至水凝膠中；隨后滴加一定的氧化劑NaIO₄溶液至粘接基底上。氧化劑觸發(fā)兒茶酚自聚合，將聚丙烯酸分子鏈交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，與水凝膠自身的網(wǎng)絡(luò)形成拓?fù)淅p繞，同時(shí)聚合物側(cè)鏈上的兒茶酚通過(guò)不同的相互作用與不同基底（玻璃、金屬、塑料、彈性體、生物組織）連接，從而產(chǎn)生強(qiáng)韌粘接，其粘接能高達(dá)200-400 J/m²（圖2）。

圖2 水凝膠與多種基底材料的界面強(qiáng)韌粘接

2、通用粘接方法的普適性：適用于多種粘接基底、多種粘接膠水

  研究人員將一系列帶有羧基集團(tuán)的聚合物長(zhǎng)鏈如透明質(zhì)酸，海藻酸鈉，羧甲基纖維素等作為聚合物膠水，這些聚合物膠水的粘接能依然可達(dá)150-400 J/m²（圖3a）。同時(shí)，由于通用粘接方法的巧妙粘接機(jī)理，使得被這種方法不依賴(lài)于水凝膠的官能團(tuán)，故此可應(yīng)用到不同類(lèi)型的水凝膠粘接中（圖3b）。

圖3 多種水凝膠作為粘接膠水的界面粘接性能

  通用粘接方法具有廣泛的應(yīng)用前景。除去兒茶酚以外，其他可觸發(fā)性自聚合和通用粘接的單體也可被用作一系列的聚合物膠水。簡(jiǎn)單通用的粘接方法使得異質(zhì)材料可通過(guò)水凝膠連接在一起，極大的簡(jiǎn)化了柔性器件和可穿戴設(shè)備中的異質(zhì)材料組裝問(wèn)題。此外，通用粘接方法可以實(shí)現(xiàn)各種軟硬材料與生物組織的粘接，在醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用中具有巨大的潛力。這一方法的推廣有助于滿(mǎn)足許多重要領(lǐng)域中的新需求。

  該研究工作發(fā)表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202003207)。西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院高揚(yáng)副教授及碩士研究生陳姣姣為論文共同第一作者，盧同慶教授為論文通訊作者，西安交大機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是論文唯一通訊作者單位。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003207