科学探索|新型水凝胶:水下“便利贴”

大家肯定都吃过果冻、凉粉和豆腐,它们都属于水凝胶,也是我们今天所要讲的主角 。其实不止这些,我们平时使用的面膜、隐形眼镜和纸尿裤等,都属于水凝胶的范畴 。大多数水凝胶在完全溶胀时含水量超过70%,因此我们常见的水凝胶都是水水嫩嫩、滑滑的状态 。

水凝胶和我们的软组织非常的像,主要是因为它们有跟我们人体组织类似结构和理化性能,同时还具有类似的含水量(人体肌肉组织含水量高达72-80%),更重要的是它们大多数是无毒的 。这些优点激发了大量科研工作者的兴趣和热情——将其应用到人体,替代、修复、保健人体受损组织 。实际上在我们现实生活中已经出现了这样的产品,比如我们日常所用的退烧贴,它是一种利用水分蒸发来达到降温效果的水凝胶 。然而当皮肤表面有水存在时(出汗),退烧贴会变得很滑,不能很好贴合到皮肤表面 。这主要是因为大多数的水凝胶是一种亲水材料,当遇到水以后,聚合物网络会溶胀并且与水结合,此时水会阻碍凝胶与皮肤之间的接触,导致凝胶和皮肤之间很难粘合 。

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(图片来自网络)
有没有可能让水凝胶实现牢固的黏附呢?科研人员逐渐将目光转向了海洋,因为海洋中有大量的生物容易黏附在任何沉浸在海里的物体之上,比如船舶、渔网、管道、浮标 。如果我们知道海洋生物是如何实现水下黏附的,这或许会解决水凝胶的黏附难题 。研究人员发现,这些海洋生物,比如贻贝的黏附,取决于一种叫做3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)的物质 。这种含邻苯二酚的物质具其非常优异的湿黏附性能,能够与其他各种材料实现牢固的黏附 。然而将贻贝的黏附功能转移到一种具有高渗透性的凝胶材料上,并且不影响凝胶的其他性能,并非易事 。

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图1. 贻贝的黏附 。(左)贻贝(a)贻贝足丝图,(b)贻贝不同种类足丝蛋白分布图 。
最近,中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员团队利用空间位阻效应,阻碍锚固层金属离子(Fe3+)和单宁酸的渗透,基于此将含邻苯二酚的胶黏剂P(MEA-co-DMA)(聚多巴胺甲基丙烯酰胺-甲氧基乙基丙烯酸酯)牢牢地锚定在PVA(聚乙烯醇)水凝胶表面,最终实现了一种能够水下黏附的水凝胶“便利贴” 。

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图2. 黏附水凝胶的制备流程及机理
更重要的是,这种方法可以实现凝胶的单面修饰,所得到的水凝胶“便利贴”两面具有完全不同的性质,一面“水水嫩嫩”的同时,另一面还能牢靠地贴在不同基底的表面 。如果我们将用来锚固金属离子(Fe3+)替换为Cu2+时,该材料还可以表现出透明、防油污损、防生物污损的性能,在水下仪表、潜艇观望镜、潜水镜等方面具有一定的应用潜力 。

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图3.水下自清洁“便利贴”
以上工作得到了国家自然科学基金项目、中科院先导B培育项目和中科院青年创新促进会等的支持 。
参考文献:
1. Lee H, Lee B P, Messersmith P B. A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos. Nature, 2007, 448, 338-341.
2. Priemel T, Palia G, F?rste F, Jehle F, Sviben S, Mantouvalou I, Zaslansky P, Bertinetti L, Harrington M. Microfluidic-like fabrication of metal ion–cured bioadhesives by mussels. Science, 2021, 374(6564), 206-211.