《AFM》深圳大学朱唐/朱才镇/徐坚：弹性体封装水凝胶！兼具抗干燥、抗溶胀和表面粘附性！

水凝胶因其出色的柔韧性、亲水性和生物相容性广泛应用于组织工程、伤口敷料、药物输送、柔性电子和智能穿戴设备等领域。然而，水凝胶材料仍存在限制其实际应用的瓶颈问题：（1）传统水凝胶在自然环境中会由于内部水分不断挥发，导致凝胶骨架逐渐塌缩，其柔性、弹性、导电性等原始性能逐渐降低甚至丧失；（2）水凝胶在高湿环境、体内或水下使用时，亲水骨架会不断吸水，凝胶体积发生数倍膨胀，不仅导致其力学性能急剧下降，还可能对周围器官或组织产生压迫甚至损伤；（3）传统水凝胶表面通常没有粘附性，在水凝胶作为柔性电子材料等使用时往往需要辅助性胶带来确保水凝胶与组织之间的紧密贴合，存在界面电阻高、检测灵敏度和稳定性低、使用不便捷等问题。

尽管引入高水合性盐、高沸点醇类、疏水单体或儿茶酚基团等方法在一定程度上可以改善了水凝胶的特定性能，但它们难以同时提升水凝胶的抗干燥、抗溶胀以及表面粘附性能。并且，大部分方法通常还会改变水凝胶本体的化学组成和内部结构，可能造成水凝胶力学完整性、电化学性能、自修复性能及透明度发生不可预测的改变。在水凝胶表面构筑功能涂层，可以赋予水凝胶新功能的同时，最大限度地保留其原始性能。然而，水凝胶表面功能涂层的构筑也有一定难度。比如，如何使涂层的力学性能与水凝胶的柔性相匹配，如何使涂层与水凝胶表面之间有较强的界面结合力等等。

基于此，深圳大学徐坚教授团队提出一种疏水、粘附性弹性体涂层封装策略，通过表面受限共聚的方法在多种水凝胶表面构筑弹性体涂层，为水凝胶提供柔性保护屏障，同时提高水凝胶的抗干燥、抗溶胀和表面粘附性能。以丙烯酸正丁酯(BA)和2,2,3,4,4,4-甲基丙烯酸六氟丁酯(HFBMA)分别作为“软”、“硬”单体，通过单体比例调控合成出疏水同时具有粘附性的弹性体P(B 2F 1) （图1）。随后，通过表面受限共聚反应在PAAm水凝胶表面原位构筑了弹性体涂层（图2）。该疏水弹性体层作为有效的保护屏障，防止水凝胶中水分蒸发和外部液体的渗透。在25 °C，30 RH%条件下进行7天干燥测试，其重量保持率为71.90 ± 2.55%；并且，在多种水溶液中浸泡180天仍保持不溶胀状态（图3）。此外，在空气中和水下环境，弹性体封装的水凝胶对各种基材(包括玻璃、木材、铁、橡胶、PP和PTFE)都表现出较强的粘附力（图4）。该强粘附性归因于聚合物链较强的运动能力以及分子链中酯基、含氟链段等功能基团，弹性体可以根据基材的表面性质进行基团的迁移和聚集。此外，弹性体涂层与水凝胶表面表现出卓越的界面强度，主要归功于弹性体自身的粘附性和柔性以及表面受限共聚反应的原位封方法。此外，弹性体涂层还能增强原始水凝胶的力学性能，包括其拉伸性能和抗穿刺性（图5）。作者提出的方法具有普适性，适用于不同类型以及多种异形结构的水凝胶。进一步地，作者在多种导电水凝胶表面封装弹性体涂层制备了水凝胶-弹性体传感器，在空气中和水下均展现出更高的稳定性和更长的使用寿命，表明了其在极端环境中的潜在应用价值，例如潜艇的水声探测和声纳扫描伪装等等（图6）。

图1. 疏水、粘附性弹性体P(BA-co-HFBMA)的性能表征

图2. 弹性体封装前后水凝胶的化学组成、结构及浸润性研究

图3. 弹性体封装水凝胶的抗干燥和抗溶胀性能研究

图4. 弹性体封装水凝胶的表面粘附性研究

图5. 弹性体封装前后水凝胶的力学性能及界面强度评价

图6. 导电水凝胶-弹性体复合材料作为传感器的性能评价

该工作以“Hydrophobic and Adhesive Elastomer Encapsulation for Anti-Drying, Non-Swelling, and Adhesive Hydrogels”为题发表在Advanced Functional Materials。文章第一作者是深圳大学研究生院慧馨，通讯作者为深圳大学朱唐助理教授和朱才镇教授，徐坚教授对研究工作进行了深入指导。该工作得到国家自然科学基金(52003157, U22A20252, 51973118, 21805193)、广东省珠江团队(2019ZT08C642)和深圳大学青年教师科研启动基金(868-000001032606)的支持。

https://doi.org/10.1002/adfm.202409703

来源：高分子科学前沿