杨卫、锁志刚等NSR综述 | 功能性水凝胶涂层：功能、应用、制备方法、粘附能测试
2021-01-11 13:30:13
作者：国家科学评论 来源：中国科学杂志社
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近日，浙江大学杨卫院士团队和哈佛大学锁志刚院士合作，在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表综述文章“Functional Hydrogel Coatings”，总结介绍了功能性水凝胶涂层的最新进展，包括功能性水凝胶涂层的功能和应用、水凝胶涂层制备方法、水凝胶涂层粘附能测试方法等，并展望了功能性水凝胶涂层的未来发展。
水凝胶是由高分子网络吸水溶胀而成的材料形态。在生命体中，水凝胶材料十分常见，从细胞质到植物体的木质部、韧皮部，以及动物的大脑、肌肉等，各种水凝胶材料为生命提供着丰富多样的功能。
得益于其天然的生物相容性，水凝胶材料拥有巨大的医用潜力，典型应用包括隐形眼镜、伤口密封、药物输运、组织支架等。近年来，研究者对水凝胶的化学组分和网络拓扑结构进行多样化挖掘，合成出了各种功能性水凝胶材料，这些材料具有丰富的刺激响应性（温度、电场、酸碱度等）、功能性（如载药、润滑、抗污等）以及力学强韧性（强胶粘、抗冲击等），在智能柔性器件、软体机器人等领域发挥着不可替代的作用。
同时，随着水凝胶强韧粘接技术的解决，人们也开始将功能性水凝胶涂层与金属、半导体等其他材料集成在一起，在不改变基底力学性质的前提下，将水凝胶的各种功能特性集成到材料中，从而为医疗器械、智能柔性器件等创造新的机遇。
在这篇综述文章中，作者将水凝胶涂层按功能和应用划分为非医用和医用两大类。其在非医用领域的应用主要包括：传感、驱动、抗海洋生物粘附、油水分离等；在医用领域的应用主要包括：药物控释、润滑、抗污、导电等。水凝胶涂层的几种典型功能和应用如图一所示。
图片图一：水凝胶涂层的典型功能和应用。（a） 载药；（b、c） 润滑；（d） 导电；（e） 传感；（f） 抗油污。
为满足上述应用，良好的水凝胶涂层制备方法应具备以下特点：
1、可以在任何具有复杂几何形状的基底表面实现水凝胶的涂覆；
2、应与基底具有良好的粘接强度；
3、涂层方法应兼容多种水凝胶以及由不同材质所组成的基底。
目前，满足上述条件的水凝胶涂层方法有：表面桥联法、表面引发法、水凝胶漆法（如图二所示）。
图片图二：水凝胶涂层方法。（a） 表面桥联法；（b、c） 表面引发法；（d）水凝胶漆法。
使用“粘附能”概念，可以定量描述水凝胶涂层与基底之间的粘附。粘附能是水凝胶涂层最重要的力学指标之一，其物理意义为剥离单位面积的水凝胶涂层所需要的能量。
典型的水凝胶涂层粘附能测量方法有：剥离实验、简单拉伸实验、划痕实验、压头拉伸实验、双悬臂梁实验（如图三所示）。其中，剥离实验的操作和数据分析过程都相对简单，是最为常用的方法。
图三：水凝胶涂层粘附能测试方法。（a）剥离实验；（b）简单拉伸实验；（c）划痕实验；（d）压头拉伸实验；（e）双悬臂梁实验。
在文章的最后，作者展望了功能性水凝胶涂层研究的重点方向：
1、优化水凝胶涂层工艺，以实现大规模的工业生产应用；
2、功能性水凝胶涂层在液体环境中（如海水、体液、血液等）的长期稳定性；
3、水凝胶涂层界面在大变形周期载荷下的疲劳稳定性；
4、水凝胶涂层粘附能的通用测试方法。
功能性水凝胶涂层是当前水凝胶领域的热门研究方向，将为多种材料、设备的设计制造提供重要的材料基础和创新思路。
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