水凝膠粘合劑由于其生物相容性，以及柔軟、濕潤的特性，在組織修復、傷口敷料和智能傳感器等領域具有諸多應用。在潮濕、酸性、高鹽濃度的生物界面上具有良好粘接性并能夠承受大幅形變的粘合劑的設計成為了具有挑戰性的問題。近期，寧波大學趙傳壯課題組利用苯并咪唑與環糊精的主客體作用和苯丙咪唑的特殊的π-陽離子結構，構筑了超拉伸性、多界面適應性、pH響應性和耐鹽水凝膠粘合劑（圖1）。
圖1. PCD-BI 水凝膠粘合劑的合成路線及粘接機理
研究人員以丙烯酰胺為凝膠單體、以聚（β-環糊精）（PCD）為主體分子交聯劑、以苯并咪唑（BI）為客體分子單體制備了水凝膠粘合劑（PCD-BI hydrogel）。PCD和BI之間的主客體作用賦予材料良好的能量耗散效果和可拉伸性能，斷裂應變可達到的4000%以上。由于該水凝膠與不同表面之間存在著離子鍵、π-π堆積和氫鍵等多種類型的相互作用，該水凝膠與多種表面都有著穩定的粘附效果。主客體作用的動態性使得材料有良好的觸變性，可以在壓力作用下在基底上快速鋪展完成粘接。BI在酸性條件下發生質子化并與生物界面上的負電基團產生靜電作用，使得材料在酸性環境下更強的粘接力。BI具有的獨特的陽離子-π結構，其咪唑基團可以俘獲質子變成陽離子，而疏水的苯基可以降低其相鄰化學環境的介電常數從而強化咪唑陽離子與基底的靜電相互作用力，這使得水凝膠可以在高鹽的環境中依然具有較強的粘接效果(圖2)。
圖2. PCD-BI水凝膠的粘接性能: (a)不同界面的粘接性能；（b）pH調控的粘接性能；（c）耐鹽粘接性能；（d）界面適應性；（e）水下快速粘接；（f）可延展性粘接
憑借主客體作用賦予的超拉伸性和獨特的陽離子-π結構賦予的生物界面上穩定的粘結性和抗鹽性，該材料可以被設計成生物組織粘合劑，對多種生物組織有良好的粘接效果，并對生物組織的形狀變化具有一定承受能力。該材料能夠承受運動中的大幅形變并在出汗的皮膚依然保持良好粘接性能，在運動傳感器中具有應用前景。（圖3）
以上相關成果發表在Chemistry of Materials 上。論文的第一作者為寧波大學碩士研究生許文超，通訊作者為趙傳壯教授。
近年來，寧波大學趙傳壯課題組在可編程響應性水凝膠和極端條件下的高性能水凝膠方面取得一系列研究進展：通過編輯氫鍵給體和氫鍵受體單體在凝膠網絡中的空間分布構筑了具有可編程形變功能和圖案化發光功能的水凝膠（Sci. China Chem., 2021, 64, 1770; ACS Appl. Mater. & Interfaces 2019, 11, 43641）；通過聚合物鏈間氫鍵取向獲得了具有可控螺旋形變功能的水凝膠驅動器 (Chem. Mater. 2021, 33, 8351)；通過調控聚合物凝膠網絡內部的疏水相分離制備了具有耐熱性和可編程形狀記憶功能的水凝膠人工肌肉(Sci. China Mater. 2022, 65, 2274)；通過主客體作用和陽離子-π作用協同構筑了超拉伸性和抗鹽水凝膠粘合劑(Chem. Mater. DOI: acs.chemmater.2c01904)。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c01904
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