楊衛(wèi)、鎖志剛等NSR綜述 | 功能性水凝膠涂層：功能、應用、制備方法、粘附能測試
2021-01-11 13:30:13
作者：國家科學評論 來源：中國科學雜志社
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近日，浙江大學楊衛(wèi)院士團隊和哈佛大學鎖志剛院士合作，在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）發(fā)表綜述文章“Functional Hydrogel Coatings”，總結介紹了功能性水凝膠涂層的最新進展，包括功能性水凝膠涂層的功能和應用、水凝膠涂層制備方法、水凝膠涂層粘附能測試方法等，并展望了功能性水凝膠涂層的未來發(fā)展。
水凝膠是由高分子網(wǎng)絡吸水溶脹而成的材料形態(tài)。在生命體中，水凝膠材料十分常見，從細胞質到植物體的木質部、韌皮部，以及動物的大腦、肌肉等，各種水凝膠材料為生命提供著豐富多樣的功能。
得益于其天然的生物相容性，水凝膠材料擁有巨大的醫(yī)用潛力，典型應用包括隱形眼鏡、傷口密封、藥物輸運、組織支架等。近年來，研究者對水凝膠的化學組分和網(wǎng)絡拓撲結構進行多樣化挖掘，合成出了各種功能性水凝膠材料，這些材料具有豐富的刺激響應性（溫度、電場、酸堿度等）、功能性（如載藥、潤滑、抗污等）以及力學強韌性（強膠粘、抗沖擊等），在智能柔性器件、軟體機器人等領域發(fā)揮著不可替代的作用。
同時，隨著水凝膠強韌粘接技術的解決，人們也開始將功能性水凝膠涂層與金屬、半導體等其他材料集成在一起，在不改變基底力學性質的前提下，將水凝膠的各種功能特性集成到材料中，從而為醫(yī)療器械、智能柔性器件等創(chuàng)造新的機遇。
在這篇綜述文章中，作者將水凝膠涂層按功能和應用劃分為非醫(yī)用和醫(yī)用兩大類。其在非醫(yī)用領域的應用主要包括：傳感、驅動、抗海洋生物粘附、油水分離等；在醫(yī)用領域的應用主要包括：藥物控釋、潤滑、抗污、導電等。水凝膠涂層的幾種典型功能和應用如圖一所示。
圖片圖一：水凝膠涂層的典型功能和應用。（a） 載藥；（b、c） 潤滑；（d） 導電；（e） 傳感；（f） 抗油污。
為滿足上述應用，良好的水凝膠涂層制備方法應具備以下特點：
1、可以在任何具有復雜幾何形狀的基底表面實現(xiàn)水凝膠的涂覆；
2、應與基底具有良好的粘接強度；
3、涂層方法應兼容多種水凝膠以及由不同材質所組成的基底。
目前，滿足上述條件的水凝膠涂層方法有：表面橋聯(lián)法、表面引發(fā)法、水凝膠漆法（如圖二所示）。
圖片圖二：水凝膠涂層方法。（a） 表面橋聯(lián)法；（b、c） 表面引發(fā)法；（d）水凝膠漆法。
使用“粘附能”概念，可以定量描述水凝膠涂層與基底之間的粘附。粘附能是水凝膠涂層最重要的力學指標之一，其物理意義為剝離單位面積的水凝膠涂層所需要的能量。
典型的水凝膠涂層粘附能測量方法有：剝離實驗、簡單拉伸實驗、劃痕實驗、壓頭拉伸實驗、雙懸臂梁實驗（如圖三所示）。其中，剝離實驗的操作和數(shù)據(jù)分析過程都相對簡單，是最為常用的方法。
圖三：水凝膠涂層粘附能測試方法。（a）剝離實驗；（b）簡單拉伸實驗；（c）劃痕實驗；（d）壓頭拉伸實驗；（e）雙懸臂梁實驗。
在文章的最后，作者展望了功能性水凝膠涂層研究的重點方向：
1、優(yōu)化水凝膠涂層工藝，以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)應用；
2、功能性水凝膠涂層在液體環(huán)境中（如海水、體液、血液等）的長期穩(wěn)定性；
3、水凝膠涂層界面在大變形周期載荷下的疲勞穩(wěn)定性；
4、水凝膠涂層粘附能的通用測試方法。
功能性水凝膠涂層是當前水凝膠領域的熱門研究方向，將為多種材料、設備的設計制造提供重要的材料基礎和創(chuàng)新思路。
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