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楊衛(wèi)、鎖志剛等NSR綜述 | 功能性水凝膠涂層：功能、應(yīng)用、制備方法、粘附能測(cè)試

2021-01-11 13:30:13 作者：國家科學(xué)評(píng)論來源：中國科學(xué)雜志社分享至：

近日，浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士團(tuán)隊(duì)和哈佛大學(xué)鎖志剛院士合作，在《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）發(fā)表綜述文章“Functional Hydrogel Coatings”，總結(jié)介紹了功能性水凝膠涂層的最新進(jìn)展，包括功能性水凝膠涂層的功能和應(yīng)用、水凝膠涂層制備方法、水凝膠涂層粘附能測(cè)試方法等，并展望了功能性水凝膠涂層的未來發(fā)展。

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水凝膠是由高分子網(wǎng)絡(luò)吸水溶脹而成的材料形態(tài)。在生命體中，水凝膠材料十分常見，從細(xì)胞質(zhì)到植物體的木質(zhì)部、韌皮部，以及動(dòng)物的大腦、肌肉等，各種水凝膠材料為生命提供著豐富多樣的功能。

得益于其天然的生物相容性，水凝膠材料擁有巨大的醫(yī)用潛力，典型應(yīng)用包括隱形眼鏡、傷口密封、藥物輸運(yùn)、組織支架等。近年來，研究者對(duì)水凝膠的化學(xué)組分和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多樣化挖掘，合成出了各種功能性水凝膠材料，這些材料具有豐富的刺激響應(yīng)性（溫度、電場(chǎng)、酸堿度等）、功能性（如載藥、潤滑、抗污等）以及力學(xué)強(qiáng)韌性（強(qiáng)膠粘、抗沖擊等），在智能柔性器件、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

同時(shí)，隨著水凝膠強(qiáng)韌粘接技術(shù)的解決，人們也開始將功能性水凝膠涂層與金屬、半導(dǎo)體等其他材料集成在一起，在不改變基底力學(xué)性質(zhì)的前提下，將水凝膠的各種功能特性集成到材料中，從而為醫(yī)療器械、智能柔性器件等創(chuàng)造新的機(jī)遇。

在這篇綜述文章中，作者將水凝膠涂層按功能和應(yīng)用劃分為非醫(yī)用和醫(yī)用兩大類。其在非醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：傳感、驅(qū)動(dòng)、抗海洋生物粘附、油水分離等；在醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：藥物控釋、潤滑、抗污、導(dǎo)電等。水凝膠涂層的幾種典型功能和應(yīng)用如圖一所示。

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圖片圖一：水凝膠涂層的典型功能和應(yīng)用。（a）載藥；（b、c）潤滑；（d）導(dǎo)電；（e）傳感；（f）抗油污。

為滿足上述應(yīng)用，良好的水凝膠涂層制備方法應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

1、可以在任何具有復(fù)雜幾何形狀的基底表面實(shí)現(xiàn)水凝膠的涂覆；

2、應(yīng)與基底具有良好的粘接強(qiáng)度；

3、涂層方法應(yīng)兼容多種水凝膠以及由不同材質(zhì)所組成的基底。

目前，滿足上述條件的水凝膠涂層方法有：表面橋聯(lián)法、表面引發(fā)法、水凝膠漆法（如圖二所示）。

圖片圖二：水凝膠涂層方法。（a）表面橋聯(lián)法；（b、c）表面引發(fā)法；（d）水凝膠漆法。

使用“粘附能”概念，可以定量描述水凝膠涂層與基底之間的粘附。粘附能是水凝膠涂層最重要的力學(xué)指標(biāo)之一，其物理意義為剝離單位面積的水凝膠涂層所需要的能量。

典型的水凝膠涂層粘附能測(cè)量方法有：剝離實(shí)驗(yàn)、簡單拉伸實(shí)驗(yàn)、劃痕實(shí)驗(yàn)、壓頭拉伸實(shí)驗(yàn)、雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)（如圖三所示）。其中，剝離實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)分析過程都相對(duì)簡單，是最為常用的方法。