如何表征水凝胶的粘附性能？（搭接剪切、剥离测试、爆破压力测试……）

当前，具有粘附性的水凝胶已在皮肤修复、伤口缝合和可穿戴设备等领域展现出很好的应用前景。你是否会有这样的疑惑：所制备的水凝胶粘不粘？能否有效的粘附于生物组织？粘附强度又如何？针对这些问题，本期EFL整理了常见的水凝胶粘附性能表征手段及案例分析，供大家参考。

01

表观粘附

🔶 测试方式：直接将水凝胶片粘附于各基材表面，采用垂直提拉或剥离等方法直观展现凝胶的粘附性能。

图1 水凝胶粘附性：A,凝胶结构示意图；B/I.凝胶对不同基材的粘附展示；J,粘附于大鼠肝脏表面的水凝胶抵抗流水作用

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202001628

02

搭接剪切

🔶 测试方式：将水凝胶粘合剂置于两个较硬的基材样条之间进行搭接剪切测试（如图2所示）（注意：搭接剪切测试中凝胶的厚度会影响测试结果）。

图2 搭接剪切测试示意图及粘附力随位移的关系图（area为粘合剂与待测物接触面积）

图片来源：https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00798

🔶 评价手段：通过万能试验机测试得到粘附作用力与位移之间的关系图，并由图2所示公式计算得到水凝胶的粘附强度。

图3 搭接剪切示意图及PANH粘附性水凝胶对不同生物组织的粘附强度

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202111465

03

拉伸试验

🔶 测试方式：通过测试粘合剂（如水凝胶）从待测物表面分离所需的力来确定粘附强度（如图4）。

图4 拉伸试验测试示意图及粘附力随位移的关系图（area为粘合剂与待测物接触面积）

图片来源：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00798

🔶 评价手段：同搭接剪切测试，可由图4中公式计算得到水凝胶的粘附强度。

图5 拉伸试验示意图及水凝胶对各生物组织的粘附强度

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202111465

04

剥离测试

🔶 测试方式：按照剥离角度分为180°剥离测试（即T型剥离测试，图6a）和90°剥离测试（图6b）；通过测试样品从粘附界面被剥离所需的力来确定粘附强度。

图6 180°（图a）和90°（图b）剥离测试示意图及粘附力随位移变化的关系图（图b,第Ⅱ阶段最大剥离力决定脱粘抗力,第Ⅲ阶段稳态剥离力决定粘接韧性）（width为样品宽度）

图a来源：https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00798；

图b来源：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104570)

🔶 评价手段：由图6所示公式计算得到水凝胶的界面粘附强度（Interfacial toughness），其中180°型剥离时，Interfacial toughness = 2F_peel / width；90°剥离时，Interfacial toughness = F_peel / width。

图7 基于腺嘌呤和胸腺嘧啶修饰的聚丙烯酰胺水凝胶的90°剥离测试及及粘附力随位移变化的关系图

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.7b04832

05

爆破压力测试

🔶 测试方式：将水凝胶粘于打孔的组织或材料表面，通过向密封容器中注入水或空气等，以施加压力，通过测试密闭容器压力值来测试爆破压力（如图8）。

图8 爆破压力测试示意图及压力随时间的关系图

图片来源：https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00798

🔶 评价手段：凝胶密闭界面破裂前的压力峰值可被认为是爆破压力。

图9 a,自制爆破测试装置示意图；b,水凝胶和商用生物胶粘剂的爆破压力对比

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202111465

06

探针粘性测试

🔶 测试方式：首先，将水凝胶固定于基底上，探针以恒定的压缩速率压缩水凝胶样品，达到额定压力(如0.1 N)。然后，探针在该位置保持60s。随后，以恒定的速度缩回，直到脱粘完成（如图10）。

图10 探针粘性测试示意图

图片来源：https://doi.org/10.1002/admi.201901541

🔶 评价手段：通过探针从水凝胶表面分离过程中的力-位移曲线来确定粘附强度。

以上水凝胶粘附性测试方法也适用于水下环境的粘附性测试，仅需设置合适的水下测试条件。

如图11所示，展示了水凝胶的水下粘附性能测试的模型。

图11 水凝胶水下粘附测试方法：A.搭接剪切试验; B C.探针粘附试验; D.剥离试验; E.拉伸试验

图片来源：https://doi.org/10.1039/d2ta01960d

EFL小贴士

以上从测试方式和评价手段简要介绍了常见的水凝胶的粘附性测试，而粘附性水凝胶设计的初衷旨在通过去除水化层，与界面形成较强的共价键和分子间作用力，使其能够更好地应用在如创面、关节软骨等湿态环境。另外，粘附性水凝胶的机械韧性也是需要考虑的，以削弱动态环境下的疲劳效应。在相关粘附性水凝胶课题研究时，可从所设计的材料特性出发，综合选取合适科学的测试手段和测试模型来验证自己的结论。

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