中科院兰州化物所周峰研究员团队Matter: 湿滑多层水凝胶材料制备新方法

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自然界中许多湿滑的生物组织具有典型的层状结构，进而赋予其独特的功能特性，水凝胶是制造类层状组织结构体的重要人工材料，如何实现仿生层状湿滑水凝胶材料的按需制造，突破层数、层网络结构、几何尺寸、厚度、成分和力学性能在时间尺度上的精确调控颇具挑战。

图1. UV-SCIRP方法学制备多样化层状湿滑水凝胶材料的示意图。

近期，中科院兰州化物所麻拴红副研究员、周峰研究员团队和美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）贺曦敏教授团队合作提出了一种制备类组织层状水凝胶材料的新方法：紫外引发的表面催化引发自由基聚合（UV-SCIRP）; 利用该方法可以成功制备具有可控厚度、组分、几何结构和尺寸的多样化层状水凝胶润滑材料（图1）;通过该方法制备得到的水凝胶材料层状特征明显、层数可控、层厚度均匀且可调, 层界面结合良好, 适用于构筑化学组分交替的多层水凝胶材料（图2）；该方法可实现复杂形状和尺寸水凝胶结构体的湿滑改性修饰，如平面、曲面、通道和球体（图3）；利用UV-SCIRP方法还可成功制备血管状多层水凝胶结构体，层厚度、化学组分、网络孔隙率和力学强度精确可调控（图4）。这项研究工作打破了层状水凝胶材料制造的传统“砌砖”成型方式，从界面聚合化学角度出发，提出一种与天然层状生物组织形成过程相似的聚合新方法学（图5），为开发具有广泛应用前景的仿生层状湿滑水凝胶材料提供了一种全新的制造途径。

图2. 利用UV-SCIRP方法制备多层水凝胶材料。

图3. UV-SCIRP方法制备图案与梯度化凝胶涂层及在各种形状凝胶几何体表面的应用

图4. 用UV-SCIRP方法制备血管状多层水凝胶管

图5.（A）天然层状生物组织的动态形成过程（整体厚度和单层属性与时间的演变正相关性）和（B）传统“砌墙”策略（层数的机械叠加）制备层状水凝胶材料

该工作以“Continuously Growing Multi-layered Hydrogel Structures with Seamless Interlocked Interface”为标题发表在国际材料学期刊《Matter》上。论文的第一作者是中国科学院大学徐蓉年博士。研究得到国家自然科学基金项目、中科院先导B培育项目和中科院青年创新促进会等的资助。

该工作是周峰研究员团队近年来关于材料表面湿滑修饰改性方法学研究的最新进展之一。发展先进的材料或器械表面化学改性方法学，提升其润湿、润滑和抗污等特性，是改善材料或器械使用功能性的重要手段之一。在过去的3年中，团队围绕此课题开展了大量的基础创新研究工作。2018年团队发明了表面催化引发自由基聚合（SCIRP）方法学（Adv. Mater., 2018, 30, 1803371），解决了在多样化基材表面可控修饰水凝胶润滑涂层的技术难点，并成功将SCIRP方法用于湿滑凝胶管制造（Chem. Mater., 2018, 30, 6756; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 3505; Sci. Adv., 2020, 6(47):eabd2520）和智能驱动材料（Chem. Mater., 2019, 31, 22, 9504; Chem. Mater., 2019, 31, 12, 4469）成型制备以及器材的水润滑改性（Colloid Surfaces A, 2020, 599,124753）。目前，SCIRP方法已经被国际同行广泛用于制备功能性水凝胶材料(Sci. Adv. 2021; 7 : eabf3804)。以SCIRP方法学为基础，结合团队前期提出的亚表面引发原子转移自由基聚合（sSI-ATRP）方法学(SCIENTIA SINICA Chimica, 2018, 48 , 1611; Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004062)，团队开发了适用于硅弹性体表面的仿生层状强韧水凝胶润滑涂层（Friction, 2021, DOI: 10.1007/s40544-021-0513-5）；并于近期开发了基于表面润滑和机械变形耦合的类食道管状器件，实现了流体动压和机械推动辅助下固体物件在受限空间中的定向输运(Adv. Sci, 2021, DOI: 10.1002/advs.202102800)。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.018

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