中科院兰州化物所周峰研究员团队 Adv. Mater.: 材料和器械表面生长水凝胶润滑涂层新方法

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人口老龄化对植介入医疗器械提出了紧迫需求。其间，在器械表面构筑亲水润滑涂层能够有效减小其与组织界面的摩擦力、降低手术操作难度、减小病人痛苦、延长器械使用寿命。水凝胶是一类具有典型湿滑特征的高分子材料，表面修饰水凝胶涂层可以有效改变材料与器械表面的润滑特征；但如何通过温和而可控的技术手段实现水凝胶材料的涂层化修饰仍然颇具挑战。目前报道的修饰水凝胶涂层的方法，如表面桥联、表面光引发、水凝胶涂料法等，都存在基材通用性差、涂层厚度可控性差等共性难点。因此，如何实现在通用材料和器械表面可控生长水凝胶润滑涂层，仍然是该领域的一个科学难点。  

针对上述科学难点，早在2018年周峰研究员团队就发明了表面铁催化引发自由基聚合（SCIRP）方法学（Adv. Mater., 2018, 30, 1803371），即通过在各种基材中掺杂纳米铁粉制备具有固液界面催化活性的复合材料，然后将其浸没于单体反应溶液中，便可在室温条件下于复合材料表面可控生长出水凝胶涂层。SCIRP方法虽然解决了在多样化基底表面可控修饰水凝胶润滑涂层的技术难点，然而铁基复合材料制备过程较为繁琐，使得该方法在医疗器械领域的应用受限。

图1. SIL@UV-SCIRP方法生长水凝胶涂层的示意图。

近期，中科院兰州化物所周峰研究员、麻拴红副研究员团队提出了一种在通用材料和医疗器械表面生长水凝胶润滑涂层的新方法：即基于黏附性功能层（SIL）的紫外引发-表面催化引发自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。该方法具体过程如下（图1）：首先在基底表面沉积黏附性的PDA涂层；然后，将其浸泡在FeCl₃·6H₂O和柠檬酸（CA）的水溶液中，形成PDA/CA-Fe³⁺复合功能层（i）；接着，在紫外光照射下将PDA/CA-Fe³⁺功能层中的Fe³⁺还原为Fe²⁺（ii）；最后，将负载Fe²⁺催化剂的基底浸入单体溶液中进行界面自由基聚合，于室温下在基底表面原位生长水凝胶涂层（iii-iv）。  

图2.利用SIL@ UV-SCIRP方法在各种基底表面可控生长水凝胶涂层。

水凝胶涂层的厚度可通过反应参数精确调控；该界面修饰方法适用于不同组分的反应单体，制备得到的水凝胶涂层化学组分可调；该方法可以在室温下快速在金属、聚合物、无机物、生物有机体等各种基底表面生长出水凝胶涂层（图2）。

图3.利用SIL@ UV-SCIRP方法生长的水凝胶涂层与基材的界面结合力评估及生长水凝胶涂层前后基材表面摩擦性能。

界面剥离试验表明通过该方法制备得到的水凝胶涂层与基材具有良好的界面结合强度；摩擦测试结果表明采用该方法可以有效改变基材表面固有的润湿和水润滑性能（图3）。

图4.利用SIL@ UV-SCIRP方法在各种基底表面生长图案化水凝胶涂层及其针对复杂结构基材的通用性。

在紫外灰度曝光技术的辅助下，该方法可以在基底表面可控构筑多样化的水凝胶图案化涂层；同时该方法适用于孔材料和膜材料的表面浸润改性；特别是在快速制备水凝胶-纤维复合材料过程中展现出重要优势（图4）。

图5.利用SIL@ UV-SCIRP方法在各种医疗器械外表面生长水凝胶涂层及生长水凝胶涂层前后其摩擦学性能。

最终，利用该方法可以成功在各种型号医疗器械外表面可控生长水凝胶润滑涂层；摩擦测试表明修饰了水凝胶润滑涂层之后，两种型号导尿管表面的摩擦系数均大幅度降低，并且可承受300个循环的剪切测试（图5）。

该工作以“Universal Strategy for Growing Tenacious Hydrogel Coating from a Sticky Initiation Layer (SIL)”为标题发表在国际材料学期刊《Advanced Materials》上。SIL@ UV-SCIRP方法为各种生物材料和医疗器械提供了一种通用的水凝胶润滑涂层修饰新方法，在生物医疗器械领域展现出重要的应用前景，相关技术已经申请国家发明专利。

论文的第一作者是中国科学院大学徐蓉年博士和张云雷博士。通讯作者为中科院兰州化物所周峰研究员和麻拴红副研究员。研究工作得到国家自然科学基金项目、中科院先导B培育项目、山东省重大基础研究项目、中科院青年创新促进会等的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108889

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