《自然·通讯》冯雪/俞书宏院士：纳米粘合剂以实现快速、通用且稳固的水凝胶粘附！

第一作者：Zhao Pan、Qi-Qi Fu、Mo-Han Wang

通讯作者：

通讯单位：清华大学、中国科学技术大学

研究背景

1. 生物学与水凝胶的湿粘结 ：生物系统在湿润环境中表现出多种粘结特性，从细胞到细胞外基质的粘附，到骨头上的肌腱和韧带的粘附，这些都是支持生物体结构完整性和功能的基本机制。为了模仿自然界的完美和应对生物医学工程领域的挑战，如新兴的水凝胶机器领域，研究者已经付出了巨大的努力，希望实现水凝胶与各种固体材料之间的坚固湿粘附。这为在各种应用中推动技术变革提供了机会。

2. 纳米颗粒在水凝胶粘结中的应用 ：纳米颗粒已在一系列研究中被证明可以作为界面链接，将水凝胶或生物组织结合在一起。此外，已经探索了与纳米颗粒相关的具有不同物化性质的纳米颗粒基胶水。为了提高其多功能性，研究者还致力于提高纳米颗粒基胶的粘附性能。实验和理论研究都证明，纳米颗粒的形状对提高粘附性能有着重要的影响。

3. 纳米颗粒基胶水的局限性和改进潜力 ：尽管纳米颗粒基胶在粘附性能上有所进步，但其提供的粘附能量仍低于生物粘附。此外，它们的粘附对象范围也受到限制。与其他基于胶水的水凝胶粘结方法相比，纳米颗粒基胶通常需要几分钟才能形成粘附，这与只需几秒钟的磁带和贴片的速度不同。我们推测，调整和优化这些因素可以增强纳米颗粒基胶的粘附性能，从而提高其实用性和应用潜力。

研究内容

1. 纳米粘合剂的设计与特性： 研究者设计了一种基于水凝胶力学调控和纳米颗粒表面化学活化的纳米粘合剂。这种纳米粘合剂能在几秒钟内在任意工程固体和生物组织的表面形成坚固的水凝胶粘附，无需任何表面预处理。这种设计实现了对纳米材料表面的化学调控，使其能够迅速、有效地与多种材料粘附。

2. 水凝胶机器的代表性应用： 水凝胶机器的一个代表性应用展示了通过纳米粘合剂在动态组织和传感器之间的坚韧和柔韧的粘附，确保了体内准确稳定的血流监测。通过这种新型粘合技术，我们可以在体内实现高精度、稳定的传感器固定，为各种医疗和生物技术应用带来了巨大潜力。

3. 纳米粘合剂在工程领域的前景： 纳米粘合剂结合其生物相容性和固有的抗微生物特性，为基于水凝胶的工程领域提供了一个有前景的策略。这些粘合剂不仅具有卓越的粘附能力，还具有生物医学应用中所需的安全性和抗感染特性，使其在许多工程和医学应用中都具有巨大的潜力。

图文解析

图1 纳米胶粘剂的设计与制备。

研究者描述了一种粘合剂的设计，即纳米粘合剂，包括基于表面活化纳米颗粒(ANP)的胶水和匹配的耗散水凝胶(图1a)。

由于其高制造灵活性，耗散水凝胶可以设计成单面或双面胶带。ANP以水分散体(20% wt%)的形式应用于界面，有利于润湿界面表面。应用程序很方便，只需将ANP胶浸、刷或喷涂到界面上，然后将水凝胶胶带贴在分散体上(图1b)。由于相互作用大多是在纳米颗粒与固体表面密切接触后瞬间形成的，因此纳米粘连形成的速度高度依赖于界面水的吸收，从而导致界面处ANP的凝聚(图1c, d)。

考虑到水凝胶的界面吸水速率取决于水凝胶的溶胀程度，因此在长链聚合物网络中加入带正电荷的基团可以增加水凝胶的溶胀，从而加快耗散性水凝胶对界面水的吸收率。因此，双面胶带可以有效地建立纳米粘连，在3秒内将工程固体(以聚碳酸酯板、PC为代表)和生物组织(以猪皮为代表)连接起来(图1e)。得益于纳米胶粘剂的柔软和韧性，该固定具有柔韧性，能够承受较大的变形。

图2 纳米胶粘剂的粘附机理。

接下来，研究者进一步研究了影响纳米粘连的因素。形态学分析表明，纳米黏结界面构成了一个独特的三明治结构，并确定了一层ANP桥接了耗散水凝胶和粘附物(图2a-c)。部分聚集的ANP被困在水凝胶中，而其他尖端则与粘附的底物接触。以往的理论研究预测纳米颗粒在界面处的相互连接主要有两种模型。它们可以形成将两个表面连接在一起的桥，即桥接状态;或在两个软基板之间划分以形成互连，即皮克林状态(图2d)。

根据纳米科学中公认的事实，单个纳米颗粒之间的相互作用或水中基质表面之间的相互作用是主要静电相互作用、范德华力和氢键的短程力的集体效应。这些短程力是纳米粘合剂大范围粘附能力的基础(图2e)。物理相互作用积累形成的纳米粘连所提供的黏附能与化学反应形成的共价互联和氰基丙烯酸酯聚合形成的玻璃层粘连所提供的黏附能相当(图2g)。

当调整ANP与水凝胶之间的尺寸对应关系时，应该会影响它们之间的相互作用。结果显示纳米黏附能与纳米颗粒的大小呈非单调关系(图2h)。在两种不同尺寸的ANP中，水凝胶孔径的变化受交联剂含量的调节，对应着不同的峰值黏附能值，验证了界面相互作用的强度对纳米粘合剂黏附能的影响(图2i)。

此外，还研究了界面化学对粘附的影响(图2f)。当耗散水凝胶在没有ANP的情况下直接附着在衬底上时，得到的粘附能约为10 J/m2。此外，纳米粘合剂中水凝胶键合的界面粘附能主要受水凝胶耗散能力的影响。为了研究这种影响，制备了不同琼脂糖含量的水凝胶，建立了耗散网络。这些水凝胶的断裂能随着琼脂糖含量的增加而增加，表明耗散能力增强(图2j)。

图3 通用和坚韧的纳米粘合。

纳米粘连的建立是基于小尺寸纳米颗粒和表面之间广泛可用的短程力的快速形成。得益于这一机制，纳米胶粘剂可以在几乎所有未经预处理的工程材料表面实现强大的粘附，从金属(~1400 J/m2)、陶瓷(~1400 J/m2)、塑料(500-1400 J/m2)到橡胶(500-1350 J/m2)(图3a)。然而，纳米胶粘剂对聚四氟乙烯的粘附能约为500 J/m2，远高于商用透明胶带或氰基丙烯酸酯胶(图3b)。

此外，基材表面的不规则几何形状，如沟槽、井、裂缝和附着物，通常会影响粘合剂的有效性，特别是那些基于表面几何设计的粘合剂。因此，为了研究纳米粘合剂对不规则表面的粘附性能，我们分别以砂纸和硅片为模板，在聚乳酸(PLA)膜上进行了一组对比实验(图3c)。由于ANP具有良好的润湿性能和优良的粒径，纳米胶粘剂对表面粗糙度具有良好的耐受性。

对于皮肤(1200 J/m2)和骨骼(1200 J/m2)等生物组织，纳米黏合能较高，因为这些组织相对坚固，在测试过程中可以保持结构的完整性，直到界面被剥离。对于肝脏(350 J/m2)和肾脏(600 J/m2)等脆弱组织，由于在剥离过程中纳米粘连失效之前，这些组织的表面已经破裂，因此黏附能明显下降(图3d)。当纳米粘合剂作用于覆盖有磷酸盐缓冲盐水(PBS)的组织表面时，黏附能约为1100 J/m2，表明界面水对黏附的影响很小(图3e)。

图4 血液监测的应用。

为了演示纳米粘接剂的实际应用，在动物实验中，通过纳米粘接剂的软粘固定，将应变传感器固定在血管周围，实时、连续监测血流 ( 图 4) 。该应变传感器由两个敏感的金电阻应变片组成，它们通过蛇形迹线相互连接，以实现共形接触。经过严密的保形粘接固定后，具有可靠的拉伸应变反应性 ( 图 4a) 。在血管扩张的应变范围内 ( 通常小于 5%) ，固定在纳米粘合剂上的染色传感器检测到的模拟信号具有很强的线性关系，具有较高的重复性和稳定性，保证了血流监测的可行性。

为了证明该策略监测的准确性，在模拟脉动行为和典型血管扩张的测试装置上进行了体外模拟实验 ( 图 4b) 。将应变传感器用纳米胶粘剂包裹并粘附在人造动脉 ( 直径 4mm 的硅橡胶 ) 上。管子一端密封，另一端与注射泵相连。利用常规往复泵，模拟脉动行为，迫使人工动脉周期性地扩大直径，同时记录传感器和测力仪的阻力变化和应变信号。如图 4c 所示，尽管频率范围为 47 ~ 225 次 / 分钟 (b.p.m.) ，覆盖了人类正常心率范围，但与力计相比，纳米传感器固定应变传感器检测到的数据频率误差通常小于 5‰ 。峰值应变和电阻信号的高度相容性证明了该监测策略的准确性。

在体脉搏监测中，选择犬股动脉进行实验 ( 图 4d) 。根据股动脉直径，将应变传感器的蛇形迹线特别设计为外侧长度为 7mm ，使两个应变片在血管上相对位置，并采用与体外试验相同的方法用纳米胶粘剂固定传感器 ( 图 4e, f) 。植入后，将传感器连接到数字万用表获取脉冲信号。同时，采用心电监护仪同时记录心跳速率数据作为对照，以表征该方法的精度。结果显示，纳米应变传感器获得的体内脉冲信号可识别且规律，与心电图精确匹配 ( 图 4) 。

纳米胶粘剂的保形变形是精确体内监测的关键因素，因为它不仅可以牢固地固定应变传感器，而且可以使应变传感器和血管同步膨胀。通过 30 min 的监测，验证了纳米应变传感器在体内的稳定性。从心电监护仪和纳米应变传感器获得的脉搏率分别计算每分钟。对比各数据的波动情况 ( 图 4h) ，在 90% 以上的时间内，速率差异小于 2b.p.m.( 心跳 / 分钟 ) ，没有记录到偏差较大的不真实数据。因此，这一展示应用表明，纳米粘合剂具有可靠和柔软的粘附能力，可以将工程设备一致和牢固地固定在动物组织上，并允许它们在体内执行准确和稳定的功能。

小结

纳米粘合剂的设计与特性 ：综上，本文介绍了一种结合化学活性纳米颗粒和能量耗散水凝胶的纳米粘合剂，实现了一种实用的纳米颗粒基胶。这些即用型的软纳米粘合剂结合了纳米颗粒的广泛粘附能力和水凝胶的能量耗散容量。尽管它们的基本粘附机制与以前的纳米颗粒基胶相似，但它们独特的特点在于对工程固体材料的通用性和强大的粘附能力。

应用实例和前景 ：研究者展示了一个设备植入应用，使用纳米粘合剂快速和合适地固定柔性生物电子设备到动态生物组织，实时检测生物信号。实验结果显示，与传统的机械固定方法相比，这种方法的便利性、非侵入性和稳定性更符合未来人机界面的学术发展。

纳米粘合剂的多功能性和进一步研究：与常见的聚合物基胶水不同，纳米颗粒可以包括有机、无机或复合物，并显示出各种响应性质。因此，纳米粘合剂不仅解决了界面粘附问题，还微妙地实现了材料和设备的功能整合。尽管球形纳米颗粒已经展示出出色的粘附特性，但未来的研究需要进一步增强纳米粘合剂的粘附性能，并验证其在实际应用中的潜力。

参考文献：Pan, Z., Fu, QQ., Wang, MH.et al. Designing nanohesives for rapid, universal, and robust hydrogel adhesion. Nat Commun 14, 5378 (2023).

DOI:10.1038/s41467-023-40753-5

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40753-5

来源：学研加