浙大楊衛院士哈佛大學鎖志剛院士NSR綜述：功能性水凝膠塗層

水凝膠是在水中溶脹的天然或合成聚合物網絡，可以機械，化學和電學方法與活組織相容。自從1960年發明水凝膠隱形眼鏡以來，一直在進行醫療用水凝膠的深入研究和開發。最近，已經在各種基材上實現了具有受控厚度和堅韌性的功能性水凝膠塗層。水凝膠塗覆的基材將水凝膠的優點（如潤滑性，生物相容性和抗生物結垢特性）與基材的優點（如剛度，韌性和強度）結合在一起。浙江大學楊衛院士團隊和哈佛大學鎖志剛院士團隊合作綜述了功能性水凝膠塗層的應用和功能；用具有強粘性的不同功能性水凝膠塗覆各種基材的方法，以及測試以評估功能性水凝膠塗層與基材之間的粘附性。並且給出了功能性水凝膠塗層的發展展望。相關綜述以「Functional Hydrogel Coatings 」為題發表在《National Science Review》上。

水凝膠是水分子和親水聚合物網絡的聚集體。高含水量使水凝膠能夠溶解和傳輸離子和許多小分子。聚合物網絡通常是稀疏交聯的，導致水凝膠柔軟而有彈性。天然和合成的水凝膠種類繁多，具有不同的聚合物拓撲結構和化學成分，使其高度適應廣泛的應用。功能性水凝膠可以在化學上、機械上和電學上模仿生物組織的功能。功能性水凝膠已確立的醫療應用包括組織工程、傷口敷料、隱形眼鏡和藥物輸送。水凝膠還在可伸展設備和軟機器人中發揮關鍵作用，例如肌肉狀致動器、水凝膠魚、軟顯示器、可拉伸離子電子學、皮膚傳感器等。水凝膠應用中的關鍵挑戰是實現水凝膠與其他材料之間的牢固粘合。儘管水凝膠長期以來一直被開發為傷口閉合的粘合劑，然而其粘附性被限制在10J/m2以下。

功能性水凝膠應用

水凝膠塗層的功能與應用

藥物控釋：基於水凝膠藥物輸送在空間和時間上都受到控制，提高了藥物分配的準確性，並產生了更少的副作用。水凝膠的特徵尺寸決定了可能的輸送路線。所載藥物的釋放速率取決於藥物向周圍組織的擴散，並可通過使用可生物降解的聚合物網絡構建水凝膠塗層來加速。此外，通過調節水凝膠聚合物網絡與藥物之間的分子相互作用可以有效地調節藥物釋放速率。

潤滑：一些生物表面，如動物關節的軟骨，本質上是由纖維性膠原和蛋白多糖組成的水凝膠。合成水凝膠表面有非粘附性的懸鏈，能夠達到極低的摩擦係數，水凝膠的摩擦學行為與固體有很大的不同，它受到幾個因素的影響，包括水凝膠的化學結構、滑動面的表面性質和測量。

抗汙：生物汙垢是由於有機體及其副產品的粘附而對表面造成的汙染。植入式醫療器械的表面生物汙垢是由異物反應引起的微生物或血栓性介質的粘附引起的。生物汙垢限制了植入的醫療設備的壽命，甚至可能導致它們被移除和更換。水凝膠作為眾所周知的親水材料，可以大大提高塗層表面的親水性。通常用作植入式醫療設備防生物汙損塗層的水凝膠包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和天然多糖，如殼聚糖和葡聚糖。

神經電極的導電塗層：生物主要使用離子來傳導電信號，而機器只使用電子。水凝膠離子電子學是一個新興的研究領域，基於水凝膠的離子電纜在離子傳導性方面模仿軸突的功能。在醫療應用中，水凝膠離子導體繼承了水凝膠的生物相容性，是理想的神經電極導電塗層。

傳感：水凝膠化學的多樣性使其能夠對各種刺激(如溫度、pH、磁場和化學物質)做出廣泛的響應，例如變形和透明度的變化。刺激響應型水凝膠在軟致動器和軟測量領域的應用非常有吸引力。刺激響應型水凝膠塗層與其他基材或器件結合產生了新的傳感系統。

驅動器：作為驅動活性材料的刺激響應型水凝膠，在外界刺激的作用下，具有較大的驅動變形。通過使用用於水凝膠形成的刺激響應聚合物網絡；在水凝膠基質中嵌入活性元件；以及設計具有室或通道的結構以用於通過液壓或氣壓驅動，很容易實現水凝膠的刺激響應。塗層形式的活性水凝膠大多基於刺激響應性聚合物網絡。在刺激作用下，聚合物網絡的構象變化或交聯密度的變化會導致水凝膠的溶脹/消脹，從而導致驅動的膨脹或收縮。

抗海洋生物汙垢：海洋環境沉沒表面遭受海洋汙垢的積累，如藻類、硅藻和被稱為海洋生物汙垢的藤壺。海洋生物的汙染減慢了船隻的速度，導致額外的能源消耗和船隻維護成本。在目標表面塗覆防汙材料是在海洋環境中實現水下基質防汙性能的最廣泛採用的方法。水凝膠塗層的防汙特性歸因於其高度水合的表面。

油水分離：由於工業含油廢水的增加和頻繁的漏油事故，油汙染正在成為對海洋和水生生態系統的世界性威脅。對高效、低成本、可重複使用的油水分離材料的需求日益迫切。超親水和水下超疏油水凝膠塗層油水混合物分離濾膜具有無汙染、循環使用等優點，在工業含油廢水處理和溢油清理中具有廣闊的應用前景。

功能性水凝膠塗層應用

水凝膠塗層方法

表面橋聯：由於界面處存在豐富的水，水凝膠通過簡單的附著與其他基質的粘附性本質上是低。較強的水凝膠粘附性是水凝膠的聚合物網絡與基質之間強相互作用的結果。表面橋聯強粘附的原理是：橋聯分子的兩端分別與水凝膠和基材形成強相互作用，在基材-塗層界面形成強粘合。

表面引發：表面引發法原則上適用於在大多數基底上形成水凝膠塗層。對於聚合物，疏水引發劑可以在適當溶劑(如乙醇、丙酮)的幫助下擴散到其表面。對於其他基底，如金屬和陶瓷，可以在目標表面塗抹含有引發劑的引發劑，如聚醋酸乙烯酯，以引入引發劑。與水相比，大多數聚合物的表面能較低，阻礙了水凝膠前驅體在靶基體上的潤溼。為了實現糊狀水凝膠前驅體在基體上的穩定鋪展或使水凝膠單體更好地擴散到靶表面，最好選擇具有較高表面能的基質以獲得更好的潤溼性。為了滿足這一要求，可以對目標表面進行表面處理以獲得更高的表面能，或者可以向水凝膠前體中添加添加劑以降低表面張力。

水凝膠噴漆：水凝膠塗料的粘度可調，使用的是水含量或流變改性劑，因此可以將其塗抹和接枝到具有複雜結構的基材上，並由水凝膠塗料的氧不敏感性固化並與基材粘合，例如通過矽烷縮合，確保了水凝膠塗層在環境中的成功形成。所有這些優點使得水凝膠塗料方法在實際應用中成為一種很有吸引力的水凝膠塗層形成方法。水凝膠塗料中的官能團或偶聯劑決定了其應用和有效性。例如，矽醇基團可以與目標基材上的羥基縮合，以增強粘結，並相互縮合以固化水凝膠塗料。

水凝膠塗層方法

水凝膠塗層的粘附

凝膠塗層和基底之間的附著力是剝離單位面積的水凝膠塗層所需的能量，並且具有J/m2的單位，它量化了塗層的脫粘阻力。水凝膠塗層附著力隨厚度變化。目前主要測試方法有剝離試驗，簡單拉伸試驗，劃痕試驗，探頭拉力試驗，雙懸臂梁試驗。

水凝膠粘附測試方法

總結

本文綜述了功能水凝膠塗料的最新進展，重點介紹了功能水凝膠塗料的功能與應用、塗層方法和黏附強度試驗方法。功能性水凝膠塗料有望在各種應用中發揮關鍵作用。水凝膠塗層方法已經開始在實驗室中實現堅韌的附著力，但在轉化為大規模生產的過程中仍然存在一些空白。需要開發堅韌的水凝膠塗料，水凝膠塗層在加載下的附著力是否與靜態加載相同是值得懷疑的。功能性水凝膠塗層在惡劣環境(如海水和生物條件，包括體液和血液)中的長期穩定附著力對其應用非常重要。水凝膠塗層與基體之間的界面結合以及功能水凝膠塗層本身在長時間浸泡在這些環境中後都會退化，導致塗層分層或斷裂失效。最後，缺乏一種通用的測試方法來測量水凝膠塗層的附著力，特別是當塗層非常薄的時候，最根本的困難是如何定量地剝離塗層。

來源：高分子科學前沿