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深圳大學徐堅教授《AFM》：受皮膚啟發！雙疏水涂層封裝水凝膠，具有增強保濕能力

2021-04-28 14:22:34 作者：高分子科學前沿來源：高分子科學前沿分享至：

水凝膠由于其柔韌、親水、生物相容、準固體等性質而在組織工程、傷口敷料、藥物輸送、柔性電子、智能設備、能量儲存等領域中得到了廣泛應用。但由于水凝膠中含有大量的水，幾乎所有暴露在干燥環境中的水凝膠都會由于水的蒸發而不可避免地發生失水，從而導致其柔韌性和功能性的下降，這嚴重地限制了其實際應用。因此，在必須避免水蒸發的應用

中（如柔性電子、智能設備、能量儲存等），提高水凝膠的保濕能力已成為一項重要的挑戰。迄今為止，僅有幾種針對失水的應對策略。例如，在水凝膠中加入吸濕性的鹽（如LiCl）以賦予水凝膠更好的保濕能力；亦或是通過甘油、乙二醇或山梨糖醇等醇類物質部分置換水凝膠中的水，使傳統水凝膠成為不失水的凝膠。在水凝膠中同時加入吸濕鹽和醇類可進一步增強抗失水性能。然而，引入吸濕性鹽或醇類會改變水凝膠的某些性質，例如電學性質和力學性質。此外，構造用于封裝化水凝膠的表面涂層也是防止失水的優選策略。哺乳動物皮膚由聚合物（細胞和蛋白質）和油性物質（表皮脂質和皮脂）的疏水性復合物組成，能抵抗機械損傷和阻止水的蒸發。受皮膚結構的啟發，用聚合物和油的雙重疏水涂層覆蓋水凝膠的新策略被提出，它能抵抗水凝膠在空氣中的失水，并增強水凝膠在空氣和水中的穩定性。但是，該策略很難僅選擇性地改性暴露的表面，而不改變水凝膠的整體結構；而且，親水性水凝膠和疏水性涂層形成的界面通常較弱。因此，開發出能實現具有堅固界面的水凝膠涂層復合物的通用方法仍然具有挑戰性。

為了應對這一挑戰，深圳大學徐堅、朱才鎮團隊、中科院化學所趙寧提出了一種由皮膚結構啟發的、便利且通用的策略，即通過雙疏水性涂層開發具有優異保濕性能的封裝化水凝膠。疏水性聚合物涂層和疏水性油層結合形成堅固的雙層涂層，可以提供防止水蒸發的屏障。此外，由于涂層僅錨定在表面上并且其厚度比天然水凝膠薄得多，因此水凝膠的整體力學性能不會受到顯著影響。特別地，該策略具有封裝各種類型和不同形狀水凝膠的能力，并增強其穩定性和延長其在空氣環境中的壽命。該項技術為水凝膠的表面多功能化提供了新方法，并拓寬了水凝膠的應用范圍。該研究以題為“Skin-Inspired Double-Hydrophobic-Coating Encapsulated Hydrogels with Enhanced Water Retention Capacity”的論文發表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

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【皮膚結構啟發的雙疏水涂層封裝化水凝膠】

為了解決親水性水凝膠表面與雙疏水涂層之間的界面強度弱的問題，作者采用了（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）用作化學交聯劑。首先，作者將水凝膠進行等離子體處理以在表面上產生羥基。然后將處理過的水凝膠依次浸入含有APTES的乙酸乙酯（EtOAc）溶液和含有硬脂酸（STA）的EtOAc溶液中。由于硅氧烷基團的水解產物與水凝膠表面上的羥基之間的相互作用，APTES可以鍵合至水凝膠表面，然后鍵合的APTES可以通過羧基和氨基之間的化學反應與STA反應。由于在改性過程中使用的溶劑（EtOAc）與水的溶混性較差，因此可以防止改性劑滲透到水凝膠中。由此就形成了通過共價作用涂覆在水凝膠表面上的連續疏水網絡。與注入到聚合物涂層中的第二疏水性油層相結合，建立了防止失水的有效屏障。

圖1. 皮膚結構啟發的雙疏水涂層封裝化水凝膠示意圖：將一層油和一層APTES＆STA聚合物涂層粘接到水凝膠表面可以有效防止水從水凝膠中蒸發

【雙疏水涂層封裝化水凝膠的保濕能力、力學性能以及泛用性】

對于未經過涂層處理的PAAm水凝膠，在空氣中1天時間就幾乎失去了所有的水分（約為質量的80%）。而經過涂層處理的水凝膠在25℃和30 RH%的條件下風干5天后，重量保持率高于70wt%。其中，疏水性聚合物涂層的厚度是調節水凝膠保濕能力的重要參數。作者系統研究了處理時間與涂層厚度、保濕能力的關系。另外，涂層處理后的水凝膠具有與未處理的水凝膠相似的力學性能，包括拉伸性能和循環壓縮載荷（50%應變）下的回復性能。實驗結果表明疏水涂層緊密結合到了水凝膠的表面，并且涂層處理過的水凝膠可以承受一定量的變形，這有望在實際應用中發揮作用。最后，作者將該策略應用到了不同形狀的聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）、細菌性纖維素（BC）水凝膠，并證實了該策略具有良好的泛用性。該項技術為水凝膠的表面多功能化提供了新方法，并拓寬了水凝膠的應用范圍。