南科大软体力学实验室：基于褶皱的可调控水凝胶粘接

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软、湿表面之间可控的粘接能力对自然生物的生存和发展至关重要。例如，强韧粘接使得树蛙可以停留在垂直壁面上，而有效的脱粘机制又使得树蛙可以在壁面上轻松爬行。这种强韧粘接/按需脱粘之间的可切换设计可被广泛应用于组织修复、伤口敷料、生物医学设备及软体机器人等领域。由于水凝胶具有优异的力学性能和良好的生物相容性，近年来国内外研究团队针对水凝胶的粘接问题展开了广泛而深入的研究，将水凝胶的粘接能提高到1000 J/m²的量级。相对于水凝胶的强韧粘接策略来说，水凝胶按需脱粘的实现仍然留有巨大的设计空间。目前水凝胶的脱粘都是通过破坏粘接界面的共价键实现的，但是这种方法需要针对特定的界面相互作用进行化学设计。因此，提出一种灵活且通用的设计策略同时实现水凝胶强韧粘接/按需脱粘的可切换将具有广泛的实际应用价值。

鉴于上述情况，研究人员提出了一种基于界面褶皱结构的形成和消除实现水凝胶之间可控粘接的设计策略。针对于水凝胶之间平滑的粘接界面，在外力加载时，裂纹沿平滑界面扩展，其能量耗散区集中于裂纹尖端。根据Lake-Thomas 理论，裂纹扩展需要的能量由破坏界面一层分子链需要的能量决定，能量耗散区的特征尺寸与高分子网络结构特征尺寸相当，在10 nm的量级。在水凝胶的粘接界面引入具有特定方向的褶皱结构之后，裂纹将沿曲折的路径发生扩展，引发更大的能量耗散区，其特征尺寸与褶皱的幅值尺寸相当，达到10-100 μm 的量级。因此，将平滑界面切换成褶皱界面可以实现水凝胶粘接的增强，反之将褶皱界面退化成平滑界面可以实现粘接的减弱。为了验证这一策略，研究人员在两片水凝胶之间引入了一层组分可调的聚合物薄膜，研究界面褶皱与氢键的协同作用对粘接能力的影响。通过预拉伸水凝胶粘接体形成界面褶皱并调控褶皱的特征（如方向、波长和幅值），研究不同的褶皱形貌对粘接强度和断裂功的影响，实现了水凝胶之间的强粘接。通过补偿拉伸消除褶皱结构，可控地减弱了水凝胶之间的粘接能力；褶皱结构的消除通过原位观测界面形貌演化得到了验证。最后，研究人员展示了这种可切换的粘接方法在软器件修复方面的潜在应用。该设计策略为提出广泛通用的水凝胶按需粘接方法提供了新的启示。

图1 基于褶皱的水凝胶按需粘接设计原理 (A) 水凝胶之间的平滑粘接界面示意图，(B) 裂纹沿平滑界面的扩展过程，(C) 基于界面褶皱的粘接，(D) 裂纹沿褶皱界面的扩展过程

研究人员首先展示了基于褶皱的可切换水凝胶粘接的设计原理。通过平滑界面和褶皱界面之间的转换实现水凝胶之间强韧粘接和按需脱粘的切换，图1展示了在两种情况下粘接界面之间裂纹的扩展路径及能量耗散区的特征。

图2 褶皱的形成、调控和表征

研究人员采用预拉伸的方法调控褶皱，通过改变预拉伸倍数调控褶皱的形貌特征（包括方向、波长、幅值），该操作方法灵活可控，如图2所示。将聚合物薄膜放置在无预拉伸的水凝胶表面，内部形成随机的褶皱形貌，而边界由于更加自由的约束条件形成取向性的褶皱。将薄膜放在两片均等预拉伸的水凝胶之间，干燥的聚合物薄膜吸水溶胀并与两片水凝胶通过氢键形成粘接，之后释放水凝胶，粘接体受到压缩应力产生取向性的界面褶皱结构。褶皱的波长、幅值与预拉伸倍数有关；研究人员进一步通过显微镜观察了稳态时界面褶皱形貌随预拉伸倍数的变化。

图3 基于褶皱的形成实现水凝胶粘接的增强

随后，研究人员在界面褶皱结构可控的基础上，对不同界面形貌粘接体的粘接性能进行了表征，如图3所示。通过搭接剪切法测试了四种不同界面形貌情况下水凝胶之间的粘接强度和脱粘功，包括平滑界面、随机褶皱界面、平行褶皱界面、垂直褶皱界面。可以看出，与其他三种形貌相比，垂直褶皱界面的脱粘功明显增大，且断裂功与预拉伸倍数相关。此外，还研究了聚合物薄膜组分（即氢键）对粘接能力的影响。通过褶皱形貌和氢键协同调控水凝胶的粘接行为，实现水凝胶之间粘接失效模式（无粘接、界面失效和本体失效）的转变。

图4 基于褶皱的消除实现水凝胶粘接减弱

最后，研究人员通过补偿拉伸的方法消除水凝胶粘接界面的褶皱结构，原位观察补偿拉伸过程中界面褶皱的形貌演化，如图4所示。褶皱消除后水凝胶粘接体的脱粘力明显降低。本文还展示了这种可调控的水凝胶粘接策略在软器件修复方面的应用。

这一研究工作最近发表在Extreme Mechanics Letters上。论文第一作者是南科大-北大联培博士研究生李奇，第二作者是南科大博士研究生张平；论文通讯作者为南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授和洪伟教授；北京大学段慧玲教授为论文的共同作者。

论文信息与链接

Qi Li, Ping Zhang, Canhui Yang*, Huiling Duan, and Wei Hong*. Switchable adhesion between hydrogels by wrinkling, Extreme Mechanics Letters, 2021.

10.1016/j.eml.2021.101193

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101193

杨灿辉助理教授与洪伟教授合作，搭建了南方科技大学软体力学实验室，同时正在组建新团队，长期招收推免直博生，硕、博士研究生，研究助理和博士后等；研究方向包括软材料力学，水凝胶器件，界面粘接，新型软材料设计与加工，柔性传感器与驱动器，3D打印等。欢迎对相关研究方向感兴趣的同学/博士/学者邮件联系：[e-mail]。请在邮件中做必要的自我介绍。

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