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華南理工大學王濤課題組 AFM：仿生綠色水下黏附明膠-單寧酸水凝膠

2024-09-03 來源：高分子科技

水凝膠的水下黏附對于其在液體環境中的應用至關重要，但綠色原料、便捷制備工藝、多環境適應性等方面仍需改進。華南理工大學材料科學與工程學院王濤課題組在前期關于明膠-單寧酸超快速形狀記憶水凝膠的基礎上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 46701），受自然界中基于蛋白質的水下生物黏附現象啟發，無需聚合反應和化學交聯劑，通過逐步浸泡的方法將明膠和單寧酸這兩種源于自然界中的常見材料結合起來制備綠色水下黏附水凝膠。通過在尿素溶液中浸泡或直接加熱兩種簡便處理方法，水凝膠可以在多種基材表面和液體環境中實現穩定的即時黏附，黏附強度可在10⁰ ~ 10³ kPa寬范圍內調節（圖1）。此外，本工作還提出了基于該水下黏附凝膠的幾種便攜式概念產品，顯示了其商業化潛力。

圖1. 明膠-單寧酸水下黏附水凝膠的制備及其多環境適應性和黏附強度寬范圍調節能力

作者首先通過紅外光譜、X射線光電子能譜和小角X射線散射等多種手段對水凝膠在不同條件下的網絡結構演變過程進行了系統表征。結果表明，明膠-單寧酸水凝膠在制備過程中沒有發生化學反應，單寧酸的引入使明膠水凝膠發生微相分離，而升溫處理使相分離加劇。尿素溶液浸泡處理可破壞明膠與單寧酸之間強氫鍵作用，使水凝膠表面羥基、酚羥基富集和暴露，賦予其水下黏附性能（圖2）。

圖2. 明膠-單寧酸水凝膠網絡結構演變過程的表征

其次，作者通過流變、接觸角、溶脹、拉伸等手段考察了明膠-單寧酸水凝膠性能演變過程。結果顯示，尿素溶液浸泡和升溫均可使水凝膠網絡快速瓦解而軟化且變粘，但水凝膠仍可保持穩定的水下抗溶脹及表面超親水性。不同的是，尿素溶液浸泡導致的水凝膠瓦解是不可逆的，而升溫導致的軟化在降溫后可重新回復初始狀態（圖3）。此外該水凝膠還表現出優異的抗菌性能和柔性傳感特性。

圖3. 明膠-單寧酸水下黏附水凝膠的軟化、抗溶脹、接觸角及溫度響應可逆軟硬變化表征

在水下黏附性能的研究方面，對于尿素水溶液處理的水凝膠，作者探索了浸泡時間和尿素濃度對黏附強度的影響，可以實現最高的80 kPa的黏附強度。此外，該水凝膠在不同液體環境中（去離子水、酸堿鹽、甲基硅油、苯基硅油、花生油）和不同水下存放時間（1 ~ 15天）均具有穩定的黏附強度，多次重復黏附實驗表明水凝膠具有較好的可重復黏合性能。借助該凝膠，可實現理想的水下即時黏附和水下原位堵漏效果（圖4）。

圖4. 尿素溶液浸泡處理后水凝膠的水下黏附研究

對于加熱處理的水凝膠，處理溫度對水凝膠的黏附強度有較大影響，黏附強度隨溫度升高而增大，最高可達1.5 MPa的水下黏附強度；由于熱處理的可逆性，連續十次加熱-冷卻循環均保持穩定的高黏附強度。同時，對于不同的基材（金屬、塑料、玻璃、豬皮等）都有優異的黏附強度。該水凝膠與近期報道的水下黏附凝膠相比，在最大黏附強度、寬范圍可調性、是否符合綠色化學原則、多環境適應性、耐久性等多個方面表現出優異的綜合性能（圖5）。

圖5. 加熱處理后水凝膠的水下黏附研究及黏附機理和性能對比

最后，得益于優異的水下黏附性能和環境友好的原材料，以及無需化學合成的便捷制備方法，作者提出了基于該水凝膠的膠水、創可貼、熱熔膠棒等便攜式概念產品，并展示了其應用過程，表明該類水下黏附凝膠具有優異的商業化潛力（圖6）。

圖6 明膠-單寧酸水下黏附凝膠概念性產品及其應用示例

以上研究成果近期以“Bioinspired Green Underwater Adhesive Gelatin-Tannic Acid Hydrogel With Wide Range Adjustable Adhesion Strength and Multiple Environmental Adaptability”為題，發表在《Advanced Functional Materials》上，華南理工大學材料科學與工程學院博士研究生袁忠和為該文章第一作者，王濤副研究員為通訊作者。同時，華南理工大學童真教授、孫尉翔副研究員、陳云華副研究員及南昌大學彭志平教授對該工作中的材料結構分析、抗菌實驗等方面提供了大量指導工作。該工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412950

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（責任編輯：xu）

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