日本北海道大学龚剑萍Adv. Mater.: 基于多重设计的水凝胶在水中具有快速、可逆及强粘贴的性质

【引言】

水凝胶在诸多领域都有广阔的应用前景，包括组织工程、伤口处理、生物医用设备以及水下柔性机器人等领域。虽然水凝胶在以上领域具有巨大的需求，并且科学家对水凝胶的研究在不可逆键的强性水凝胶方面已经取得重大的进步，但在依然无法得到在水下具有快速、可逆和强粘性的强性水凝胶。

【成果简介】

近日，日本北海道大学的龚剑萍教授课题组报导了一种制备在水下具有快速、可逆和强粘性的性水凝胶的方法。这种方法通过将动态键和生物启示的表面排水结构相结合制备得到水凝胶。制备得到的水凝胶只需在短时间内通过很小的应力作用就可以粘附在表面。其粘附强度和剥离能可达25 kPa和50 J/m².该成果以题为"Tough Hydrogels with Fast , Strong, and Reversible Underwater Adhesion Based on a Multiscale Design"发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.水凝胶设计示意图

(a).通过喉盘鱼吸盘几何图案获得的启示

(b).拥有六边形凹槽结构和动态键的水凝胶

(c).六边形凹槽作为排水通道帮助水凝胶在水下与表面快速接触

(d).水凝胶六边形凹槽结构的动态键与界面结合

(e).在水凝胶伸展过程中，水凝胶本体的动态键断裂消耗能量，从而使界面处不容易断裂

(f).独立的六边形结构防止裂纹在界面处的扩散

图2.原位观测水凝胶在水下与玻璃的接触过程

(a).水凝胶的表面结构照片

(b).观察水凝胶和表面接触的示意图

(c).在接触测试中，位移、应力和接触面积比例随时间的变化

(d).P0, P1和P2样品在不同时间的接触图像

图3.水凝胶可逆的水下粘附性能表征

(a).不同表面结构水凝胶与玻璃（硬基底）接触过程中，应力和位移随时间的变化

(b).不同表面结构水凝胶与玻璃粘接界面脱粘的图像

(c).不同表面结构水凝胶凝胶表面（软基底）接触过程中，应力和位移随时间的变化

(d).P1样品在硬玻璃和软PA凝胶上的形变比较图片

(e,f).凝胶的可逆粘附测试

图4.水凝胶在不同基质上的粘附性能

(a).水凝胶的粘附强度

(b).水凝胶的剥离能

【小结】

在这个工作中，作者报导了一种制备在水下具有快速、可逆和粘性的强性水凝胶的方法。这种方法通过将动态键和生物启示的表面排水结构相结合制备得到水凝胶。制备得到的水凝胶只需在短时间内通过很小的应力作用就可以粘附在表面。其粘附强度和剥离能可达25kPa和50J/m2.

文献链接：Tough Hydrogels with Fast , Strong, and Reversible Underwater Adhesion Based on a Multiscale Design(Adv. Mater., 2018, DOI: 10. 1002/adma.201801884)

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