新型水凝胶：水下“便利贴”

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。

（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。

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”。

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。

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, Förste 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.

3. Feng H, Ma Y, Zhang Z, Yang S, Ma Z, Zhang Y, Ma S, Yu B, Cai M, Pei X, Zhou F. Reversing hydrogel adhesion property via firmly anchoring thin adhesive coatings. Advanced Functional Materials, 2021, 2111278.

4. Feng H, Zhang J, Yang W, Ma Y, Wang R, Ma S, Cai M, Yu B, Zhou F. Transparent Janus hydrogel wet adhesive for underwater self-cleaning. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(42), 50505-50515.

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