Small:利用仿生界面矿化实现强水凝胶粘附

近年来,水凝胶已广泛应用在生物医学和柔性电子产品中,而在这些应用场景中,水凝胶与各类基底或设备的界面粘附是必不可少的。尽管研究人员已经开发了各类水凝胶粘附策略,但通过简单而高效的方法构筑稳定高效的水凝胶粘附界面仍然具有一定的挑战性。近日,南科大刘吉,哈工深何思斯报道了一种简单而广谱性的策略,实现水凝胶与多种基底材料的强粘附,界面剪切力提高达50倍。该策略广泛应用于各种水凝胶和各种基材(水凝胶和刚性基底,如玻璃、铝、PET、尼龙和 PDMS)之间构建强的界面粘附力。本工作中所报道的具有强界面粘附力的水凝胶,相比于传统方法获得的界面粘附力的水凝胶具有强的抗环境干扰,即使在潮湿条件下界面粘附力也不会受到影响,有望扩展其应用范围和提高其应用场景下长效稳定性。

受到软骨-骨关节的自然构造原理的启发(图1),提出了一种矿化策略,在水凝胶和不同的基质之间建立一个坚固的界面。这种方法只需要通过简单的工艺:首先将离子对中的阳离子和阴离子分别引入水凝胶和基质中,随后当水凝胶与基底接触时,通过离子扩散和随后的矿物沉积构建仿生矿化过渡层。该策略不仅普遍适用于广泛的基板和离子对,而且可与各种制造方法兼容。这类水凝胶表现出强的界面粘附力,其剪切强度高达700 N m-1,是没有界面矿化的对照组(14 N m-1)的50倍。

图1. 具有强的水凝胶粘附力的仿生原理,制备过程、界面剪切力性能、实物展示和微观结构表征。

如图2所示,该策略在单电极摩擦纳米发电机 (TENG) 的应用中得到进一步证明,通过界面矿化在TENG装置中实现坚固的弹性体/离子水凝胶界面,在200个周期的接触/分离过程中,能够确保可靠的信号生成和输出,证实了坚固界面对稳定性能的作用。与此形成鲜明对比的是,对照样品中的TENG的VOC逐渐降低,这源于水凝胶/弹性体混合体的局部分层,阻碍了电荷运输。

图2. 具有强的水凝胶粘附力水凝胶在压电器件应用场景长期稳定性验证。

南方科技大学博士后张俊博士为该论文第一作者,刘吉副教授/何思斯副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然青年科学基金项目、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室、深圳市基础研究(面上项目)等经费支持。

刘吉副教授及团队简介:刘吉博士于2019年9月加入南方科技大学独立建组,任博士生导师。主要研究领域为软材料的极限性能设计、仿生软材料、界面粘合、软材料3D打印以及功能软材料在组织工程上的应用等。近年来,在Science AdvancesNature CommunicationsPNASAdvanced MaterialsAdvanced Functional Materials等期刊上发表文章40余篇。刘吉课题组长期招聘研究助理教授、博士后和研究助理,有意者请将个人简历(pdf)等相关材料发送至liuj9@sustech.edu.cn邮件标题请注明“姓名+毕业学校+应聘职位”,我们期待您的加盟。

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论文信息:

Robust Hydrogel Adhesion by Harnessing Bioinspired Interfacial Mineralization

Jun Zhang, Yaya Wang, Jiajun Zhang, Iek Man Lei, Guangda Chen, Yu Xue, Xiangyu Liang, Daozeng Wang, Guigen Wang, Sisi He*, Ji Liu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202201796

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202201796