国科温州研究院陈强/史鑫磊AFM：具有容错和按需强韧黏附的天然白蛋白基油水凝胶

水凝胶粘合剂在伤口敷料、生物医学植入物和柔性电子产品等领域的众多应用中发挥着至关重要的作用。近年来尽管对水凝胶的设计做出了努力，但对于自粘水凝胶来说，调和粗糙表面适应性和内在强度的冲突要求仍然是难以实现的。为了应对这一挑战，本论文提出了一种新的策略，即在水凝胶和固体的界面首先建立基于弱凝胶的形状适应性贴合，然后对凝胶的力学性能进行强化以提高黏附强度和韧性。

为解决这个问题，国科温州研究院陈强研究员与史鑫磊助理研究员联合四川大学陈红副研究员和河南理工大学杨佳副教授基于牛血清白蛋白(BSA)与合成聚合物(PAAm)的两个网络，制备了一种柔软且具有自粘性的油水凝胶(OHG)。该凝胶在各种基质材料表面具有瞬时和可逆的粘附性，为容错贴合操作提供了便利。在确认贴合位置正确后，通过一个简短的加热步骤便可形成BSA交联网络并建立双网络(DN)结构将该凝胶转变为强韧而超强韧黏附的状态。该研究以“Fault-tolerant and On-demand Supra Tough Adhesive Natural Albumin-Based Organohydrogels”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1 基于天然白蛋白的具有容错和按需黏附的有机水凝胶的示意图

天然白蛋白基油水凝胶(BSA/PAAm DN OHGs)通过一锅法合成，产生柔软的自粘油水凝胶，能够立即粘附到目标材料表面，并适应无缝贴合。它们的可逆粘附性能使其能够从黏附区域轻松剥离并重新黏附。之后，仅需一个简单的加热步骤便可诱导形BSA分子展开从而形成的刚性的BSA网络，从而使BSA/PAAm DN OHGs能够在各种材料表面牢固粘附，实现按需永久固定。

图2 天然白蛋白基油水凝胶(BSA/PAAm DN OHGs)的容错和按需坚韧粘附机制示意图

天然白蛋白基油水凝胶(BSA/PAAm DN OHGs)在包括金属（如铝、铜、钛和钢）和聚合物（包括尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、 3M Tape (VHB)）等多种材料上都具有超高的黏附效果。值得注意的是，天然白蛋白基油水凝胶是在没有任何表面修饰的情况下，在非多孔基材上表现出的极高的界面粘附。

图3 天然白蛋白基油水凝胶(BSA/PAAm DN OHGs)在不同的基底上的黏附效果

在粘合剂的实时应用中，贴错是一个普遍存在的问题。传统的可逆粘合剂，如Scotch Magic Tape，提供可重新定位的优势，但受有限的粘合强度的影响。相反，像强力胶这样的液体粘合剂具有很强的附着力，但固化速度很快，因此限制了错误黏附的改正机会。我们开发的BSA/PAAm DN OHG引入了一种新型的粘合剂解决方案，可将容错性与可调的附着力协同起来。如图4所示， BSA/PAAm OHG可以可逆地附着在玻璃基板上，并在不留下残留物的情况下分离，如果初始放置不理想或与目标区域错位，则允许多次重新附着。值得注意的是，在5次应用尝试中，其界面韧性保持不变(约为550 J/m 2) (图4b)。在达到所需的定位后，通过短暂的加热，附着力可以显著提高到2800 J/m 2。

图4 天然白蛋白基油水凝胶的容错黏附和按需加热诱导在玻璃基板上永久固定的展示。

总之，作者基于牛血清白蛋白(BSA)与合成聚合物(PAAm)的两个网络，制备了一种柔软且具有自粘性的油水凝胶(OHG)。该凝胶在不同的非多孔固体基质上具有显著增强的整体机械强度和优异的界面韧性，允许按需强韧固定。该方法将水凝胶粘附的容错性和按需固定性集成到单一材料中，突出了这些天然蛋白基凝胶作为先进功能材料的潜力，可用于包括手工修复和全季节柔性传感器等各种应用。

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来源：高分子科学前沿

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