福州大学赖跃坤、黄剑莹教授等《AFM》：基于动态链间相互作用的温敏性智能界面粘合水凝胶！

在现代科技领域，如可穿戴传感器、软机器人、组织工程和伤口敷料等，对具有强粘附性的水凝胶需求日益增长，福州大学赖跃坤教授团队在此背景下展开研究。在之前的研究工作中，该团队通过制备了湿粘附的导电水凝胶，通过弹性体封装，实现了水凝胶在水下稳定粘附和传感特性（Adv Funct Mater. 2023, 33, 2301127）。该团队还设计合成了双网络结构的有机水凝胶湿度传感器。该水凝胶具备高灵敏度、良好粘附性和稳定的湿度传感性能（Adv Funct Mater. 2024, 34, 2402853）。

然而，现有界面粘附传感材料多存在局限性，如难以在粘附与非粘附状态间快速可逆转换，且在多液体环境中的粘附性能有待提高。近期，该团队通过丙烯酰胺（AAm）、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、由十二烷基硫酸钠/甲基丙烯酸十八烷基酯/氯化钠（SDS/OMA/NaCl）组成的胶束溶液和磷钨酸（PTA），合成了PANC/T水凝胶。通过PNIPAM链段和SDS的动态相互作用，实现了在按需粘附和分离。进一步通过Fe³⁺溶液的浸泡，制备的PANC/T-Fe水凝胶可以在多种湿环境下的实现强粘附。开发一种在多种湿环境下具有快速按需转化的智能界面粘合水凝胶。该研究以题为“Temperature-Mediated Controllable Adhesive Hydrogels with Remarkable Wet Adhesion Properties Based on Dynamic Interchain Interactions”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

可控粘附水凝胶的合成与结构特性

PANC/T-Fe水凝胶由亲水性AAm、兼具亲水和疏水特性的NIPAM以及疏水性OMA通过共聚反应合成，其中PTA起到交联作用，与聚合物链上的氨基形成氢键，构建起稳定的聚合物网络。在实验过程中，该团队发现NIPAM和SDS间的相互作用对水凝胶的温度敏感粘附性能至关重要。随着温度降低，SDS结晶易于附着在PNIPAM链段，阻碍粘附功能基团与基材作用，导致粘附力下降；温度升高时，结晶融化，粘附基团与基材接触更好，粘附力显著提升。PTA的引入增强了水凝胶在高温下的粘附力，因其与聚合物链的氨基存在物理相互作用，温度升高时该相互作用被破坏，使水凝胶变软，与底物形成更多粘附位点。通过水凝胶聚合物链间的动态调节实现了可逆的按需粘附。

图1. 水凝胶合成及可逆湿粘附作用机理图。

温度对粘附性能的调控机制

该团队通过一系列对比实验发现，NIPAM和胶束溶液的协同作用是水凝胶温度敏感粘附性能的关键因素。差示扫描量热法（DSC）测试结果表明，温度响应与NIPAM的最低临界溶解温度（LCST）无关，但NIPAM与SDS之间存在相互作用，影响了SDS的结晶温度。原位FT-IR测试进一步揭示了温度升高会削弱链间氢键，释放更多的粘附基团，从而增强粘附性能。流变学分析也证实了温度变化对水凝胶分子链间相互作用的显著影响，使其从刚性转变为柔性。

图2.水凝胶温度敏感粘附性机理探究

按需粘附特性与湿环境强粘附性能

PANC/T-Fe 水凝胶具有按需粘附特性，无需外部能量输入，仅通过简单冰敷即可实现粘附转换。在室温（25°C）下，水凝胶柔软且粘性强，与玻璃分离时不易剥离且会产生残留；通过简单的冰敷，凝胶内聚力增加，弹性增强，剥离变为良性剥离，且低温下粘附强度降低，冷却时间延长也会降低粘附强度。温度循环测试表明，其粘附性能在5°C至 25°C的多次循环测试中基本保持不变，展现出良好的可逆性，可在多种环境中按需粘附，在组织愈合、材料按需修复和湿环境驱动器等方面具有重要应用潜力。

图3. 具有可逆粘附性的PANC/T-Fe水凝胶的性能测试

PANC/T-Fe水凝胶多种液态环境的湿粘附性能

在液体环境中，该水凝胶的表现同样令人瞩目。水凝胶中的共聚物链含有亲水和疏水单元，经 Fe³⁺处理后，亲水和疏水链段在表面迁移重排，在水和油环境中均实现强粘附。通过研究 NIPAM 和 PTA 对粘附性能的影响，发现二者共同作用使水凝胶在不同环境中表现出色，在干燥、水和油环境中的粘附强度分别可达 121kPa、227kPa 和 213kPa。对多种基材如玻璃、金属、木材等均能产生强粘附，在多种有机溶剂和水溶液中也表现出良好的粘附性能。