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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-07-16 08:26
引言:水凝膠,作為一類由交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的親水性材料,因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì),在過去幾十年里吸引了眾多研究者的極大興趣。其中,水凝膠的粘性——即其在接觸界面上表現(xiàn)出的黏附能力和內(nèi)部分子間相互作用的粘滯性,成為了跨學(xué)科研究的關(guān)鍵焦點。不同于傳統(tǒng)的固體材料,水凝膠的粘性不僅源于分子間的氫鍵、范德華力或靜電相互作用,而且與其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性和流體動力學(xué)特性密切相關(guān)。
水凝膠粘性的可控性和多功能性為各種應(yīng)用場景開辟了廣闊的前景。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,粘性水凝膠被廣泛用于傷口敷料、組織工程、藥物傳遞系統(tǒng),以及微創(chuàng)手術(shù)器械的涂層。在環(huán)境科學(xué)中,粘性水凝膠可用于水處理,如污染物吸附和油水分離,顯示了其在生態(tài)修復(fù)方面的潛力。此外,電子學(xué)和機器人學(xué)領(lǐng)域也受益于水凝膠的粘性特性,例如,可拉伸的導(dǎo)電水凝膠作為柔性電子元件,以及具有觸覺感知功能的軟體機器人皮膚。
然而,水凝膠粘性的實現(xiàn)和調(diào)控面臨著諸多挑戰(zhàn),包括如何在復(fù)雜環(huán)境中維持其穩(wěn)定性,以及如何設(shè)計具有智能響應(yīng)性和生物相容性的新型水凝膠材料。本文旨在回顧近年來水凝膠粘性領(lǐng)域的研究進(jìn)展,探討其背后的科學(xué)原理,分析現(xiàn)有技術(shù)的局限性,并提出未來發(fā)展的可能性和方向。通過深入理解水凝膠粘性的本質(zhì),我們有望開發(fā)出更高效、更智能的水凝膠材料,以應(yīng)對當(dāng)前和未來的科技與社會需求。為此撰寫此文,旨在,為君未來研發(fā)提供點滴參考。
第一部分:水凝膠粘性應(yīng)用的研究進(jìn)展
主要集中在以下幾個方面:
設(shè)計策略與應(yīng)用領(lǐng)域:近年來,粘性水凝膠的設(shè)計策略主要包括結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生和原理仿生。這些策略在可穿戴傳感器、生物醫(yī)用材料、執(zhí)行器機器人和吸附分離等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。例如,通過引入溫敏性組分和粘性組分,可以制備出具有多功能性的水凝膠,如溫度與力學(xué)雙重響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)色水凝膠和自修復(fù)特性的水凝膠超級電容器[4]。
界面粘結(jié)機理與摩擦特性:水凝膠的粘結(jié)行為和摩擦特性受到界面作用力的影響。通過設(shè)計軟材料的高分子結(jié)構(gòu)和研究其界面作用機理,可以實現(xiàn)強力粘結(jié)和水基潤滑[3]。此外,水凝膠的摩擦特性也受到時間效應(yīng)及多種因素的影響,如剪切速度、法向載荷和溶液pH等[3]。
強韌化、結(jié)構(gòu)化及功能化:為了提高水凝膠的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍,研究人員開發(fā)了多種強韌化、結(jié)構(gòu)化及功能化的水凝膠。例如,雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠通過引入不同的能量耗散機制來提高其力學(xué)性能[12]。此外,通過3D打印技術(shù)制備的PIC水凝膠展示了優(yōu)異的自回復(fù)和修復(fù)性,以及可調(diào)節(jié)的離子鍵強度[12]。
生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用:水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括組織工程支架、傷口敷料和藥物遞送系統(tǒng)等。生物黏合水凝膠因其良好的黏合強度和優(yōu)異的生物相容性而備受關(guān)注[11]。此外,基于天然高分子材料的PIC水凝膠不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能,還具有顯著的抗菌效果,有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用[12]。
環(huán)境友好型水凝膠:隨著對環(huán)境保護意識的增強,開發(fā)環(huán)境友好型水凝膠成為研究的熱點。例如,水基膠粘劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展表明,發(fā)展高品質(zhì)、高性能、功能化、特種化的環(huán)保型綠色膠粘劑是膠粘劑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[20]。
總之,水凝膠粘性應(yīng)用的研究進(jìn)展涵蓋了設(shè)計策略、界面粘結(jié)機理、強韌化與功能化、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及環(huán)境友好型等多個方面。未來的研究將繼續(xù)探索新的設(shè)計原則和制備方法,以進(jìn)一步拓展水凝膠在各個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
第二部分:水凝膠在可穿戴傳感器領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展
水凝膠在可穿戴傳感器領(lǐng)域的最新應(yīng)用研究進(jìn)展主要集中在以下幾個方面:
水凝膠的水阻性和生物相容性的提升:為了克服傳統(tǒng)水凝膠在水下環(huán)境中的應(yīng)用限制,研究人員致力于開發(fā)具有更好水阻性的導(dǎo)電水凝膠。這些水凝膠能夠在水下環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的傳感性能,為水下活動的安全和效率提供了重要支持[23]。
水凝膠的開發(fā):通過改變導(dǎo)電填料、交聯(lián)方式或功能性添加劑,水凝膠可以實現(xiàn)獨特的性能和多樣化的功能,以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。例如,基于超吸收水凝膠的可穿戴應(yīng)變傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測汗液量,而粘性可自愈的可穿戴水凝膠比色貼片則能按需監(jiān)測汗液標(biāo)志物[26]。
高靈敏度和機械強度的水凝膠傳感器:通過使用碳量子點等納米材料增強水凝膠的導(dǎo)電性和機械性能,研究人員成功制備了具有高靈敏度和足夠機械強度的水凝膠傳感器。這些傳感器在人體運動檢測和人機界面等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[28]。
自修復(fù)和自粘附能力的增強:為了提高水凝膠傳感器的耐用性和用戶體驗,研究人員開發(fā)了具有自修復(fù)和自粘附能力的水凝膠。這些水凝膠不僅能夠有效延長使用壽命,還能在各種材料上表現(xiàn)出可重復(fù)的自粘合性能,從而提高了與皮膚等界面的貼合性[30]。
抗凍保濕性能的提升:針對傳統(tǒng)水凝膠在極端溫度條件下的應(yīng)用限制,研究人員通過甘油溶劑置換策略提高了水凝膠的抗凍保濕性能。這種改進(jìn)使得水凝膠能夠在低溫環(huán)境下保持良好的柔韌性和導(dǎo)電性,為遠(yuǎn)程監(jiān)測人體生命活動提供了新的思路[32]。
水凝膠在可穿戴傳感器領(lǐng)域的最新應(yīng)用研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在其水阻性、生物相容性的提升,以及多功能性、高靈敏度、機械強度、自修復(fù)和自粘附能力的增強等方面。
第三部分:水凝膠結(jié)構(gòu)對其界面粘結(jié)性能的影響
要通過設(shè)計軟材料的高分子結(jié)構(gòu)來改善水凝膠的界面粘結(jié)行為和摩擦特性,可以采取以下幾種策略:
引入微結(jié)構(gòu)作為彈性耗能器:根據(jù)[33]的研究,通過在水凝膠的粘結(jié)界面引入柱狀陣列微結(jié)構(gòu),可以顯著提高水凝膠的粘結(jié)能。這種微結(jié)構(gòu)在未脫離前能夠承受大的變形,而在脫離時釋放儲存的彈性能量,從而大幅提高粘結(jié)能。此外,通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)的高度和寬度,可以進(jìn)一步優(yōu)化其對粘結(jié)能的提升效果。
利用溫度敏感性聚合物調(diào)節(jié)界面性質(zhì):如[34]所示,聚(N-異丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 微凝膠在空氣/水界面組裝時,其固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變與體積相變溫度相關(guān)聯(lián),這一特性可以用來調(diào)控覆蓋在泡沫上的氣泡的滲透性以及泡沫的排水、穩(wěn)定性和可發(fā)泡性。這種材料的使用可以在微觀層面上調(diào)控水凝膠的界面性質(zhì),從而改善其摩擦特性和粘結(jié)行為。
采用生物啟發(fā)的設(shè)計:[36]中提到的仿生微纖維結(jié)構(gòu)與粘彈性終端薄膜的結(jié)合,展示了通過模仿自然界中的壓力敏感粘合劑來增強粘結(jié)力和調(diào)節(jié)裂紋傳播的能力。這種設(shè)計可以通過在水凝膠表面引入類似的微纖維結(jié)構(gòu)和粘彈性層來實現(xiàn)。[72]探討了自然貽貝及其啟發(fā)材料中顯著濕粘附的基本相互作用機制,介紹了如何利用貽貝啟發(fā)構(gòu)建塊的相互作用來工程化水凝膠。

由于貽貝是比較出名的一種粘附機制,在此概述了自2007年提出到2019年期間的研究情況。在2007年,Lee和Messersmith發(fā)表了關(guān)于“Mussel-inspired PDA”的研究論文;在2013年,Duan等人發(fā)表了關(guān)于“PDA/GO hydrogel for water purification”的研究論文;在2014年,Cho等人發(fā)表了關(guān)于“Mussel-inspired tissue adhesive”的研究論文;在2015年,Wang等人發(fā)表了關(guān)于“Tannic acid based shape memory hydrogel”的研究論文;在2016年,Xu等人發(fā)表了關(guān)于“Dopamine-triggered polymerization”的研究論文;在2017年,Lu等人發(fā)表了關(guān)于“PDA antifreezing/antieating hydrogel”的研究論文;在2018年,Han等人發(fā)表了關(guān)于“Transparent PDA-based hydrogel sensor”的研究論文;在2019年,Park等人發(fā)表了關(guān)于“Mussel-inspired light-responsive electronic skin”的研究論文。
利用超分子相互作用調(diào)控表面潤濕性:[38]中描述的雙刺激響應(yīng)表面,通過簡單地在硅基底上制造聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-亞丁基環(huán)己烯)共聚物薄膜,實現(xiàn)了在溫度和β-環(huán)糊精濃度變化下的親疏水切換。這種表面可以通過在水凝膠表面引入類似的超分子系統(tǒng)來調(diào)控其界面性質(zhì),從而改善其摩擦特性和粘結(jié)行為。
電響應(yīng)超分子潤滑水凝膠:[42]中介紹的電響應(yīng)超分子潤滑水凝膠,通過在共價網(wǎng)絡(luò)中引入電響應(yīng)非共價超分子體系,實現(xiàn)了在電場作用下水凝膠表面產(chǎn)生潤滑層,從而調(diào)控水凝膠表面的潤滑性能。這種方法不僅可以改善水凝膠的摩擦特性,還可以通過電場調(diào)控其在油環(huán)境中的浸潤性。
第四部分:雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠結(jié)構(gòu)對其界面粘結(jié)性能的影響
雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠的能量耗散機制主要依賴于其獨特的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)由一個硬而脆的第一網(wǎng)絡(luò)和一個軟而韌的第二網(wǎng)絡(luò)組成。第一網(wǎng)絡(luò)在變形過程中通過斷裂來耗散能量,從而增韌整個水凝膠[48]。當(dāng)?shù)谝痪W(wǎng)絡(luò)為具有重建能力的物理網(wǎng)絡(luò)時,雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的抗軟化和機械穩(wěn)定性[48]。
具體來說,DN水凝膠的設(shè)計允許在不同應(yīng)力條件下通過不同的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行能量耗散。在低應(yīng)變下,第一網(wǎng)絡(luò)作為犧牲相,通過解離離子交聯(lián)鍵來耗散能量,而第二網(wǎng)絡(luò)和第三網(wǎng)絡(luò)則共同作為彈性基質(zhì)相[47]。在高應(yīng)變下,第二網(wǎng)絡(luò)作為能量耗散相(此時離子交聯(lián)鍵已被破壞),而第三網(wǎng)絡(luò)則繼續(xù)發(fā)揮彈性基質(zhì)的作用[47]。這種設(shè)計使得DN水凝膠在保持高水含量的同時,還能展現(xiàn)出出色的強度、延展性和斷裂韌性[46]。
此外,DN水凝膠的力學(xué)性能也受到其有效網(wǎng)孔大小的影響。與單網(wǎng)絡(luò)水凝膠相比,DN水凝膠的有效網(wǎng)孔大小更小,這有助于提高其應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的突然增加的應(yīng)力,尤其是在達(dá)到約100%應(yīng)變時[43]。這種突然增加的應(yīng)力是由于PEO在DN中達(dá)到完全拉伸狀態(tài),對應(yīng)于PEO單網(wǎng)絡(luò)中的260%應(yīng)變,而在超過這一點后,鍵的拉伸和角度彎曲顯著增加[43]。
總結(jié)來說,DN水凝膠的能量耗散機制是通過其雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的,其中第一網(wǎng)絡(luò)在低應(yīng)變下耗散能量,而第二網(wǎng)絡(luò)在高應(yīng)變下承擔(dān)能量耗散的角色。
第五部分:基于天然高分子的水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
基于天然高分子材料的PIC水凝膠在生物醫(yī)藥zh中的應(yīng)用案例主要包括以下幾個方面:
藥物緩釋和靶向傳輸:天然高分子材料如纖維素、殼聚糖、蛋白質(zhì)等被廣泛用于制備具有特定交聯(lián)機制的水凝膠,這些水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的緩釋和靶向傳輸。例如,通過物理或化學(xué)方法改性的淀粉、海藻酸鈉等親水性天然高分子可以作為藥物載體,實現(xiàn)對藥物釋放的精確控制[54]。
細(xì)胞外基質(zhì):天然高分子水凝膠因其良好的生物相容性和生物活性,被用作細(xì)胞培養(yǎng)基,支持細(xì)胞的生長和分化。例如,DNA-PNIPAAm水凝膠不僅具有良好的溫度敏感性能,還能通過簡單的化學(xué)反應(yīng)修飾DNA鏈,保持其生物特異性,為細(xì)胞提供一個理想的生長環(huán)境[57]。
圖片
組織修復(fù)支架:天然高分子水凝膠在組織工程中作為支架材料,能夠促進(jìn)組織的再生和修復(fù)。例如,通過修飾糖原并將其與膠原蛋白和羥基磷灰石結(jié)合形成的復(fù)合水凝膠,不僅具有適宜的機械性能,還能支持骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞的分化[59]。
傷口敷料:天然高分子材料如膠原蛋白、海藻酸鹽、甲殼素等被用于制備傷口敷料,這些敷料具有良好的生物相容性和生物降解性,能夠有效促進(jìn)傷口的愈合。例如,將單寧酸接枝于明膠上形成的可注射復(fù)合水凝膠,不僅具有良好的粘合能力和生物降解性,還能促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖與遷移,有效提高傷口的愈合率[58][59]。
環(huán)境響應(yīng)型水凝膠:基于天然高分子材料的環(huán)境響應(yīng)型水凝膠,如對ATP有響應(yīng)能力的水凝膠,能夠在特定環(huán)境下(如ATP的存在)發(fā)生形態(tài)變化或功能改變,從而實現(xiàn)對生物過程的調(diào)控。這類水凝膠的研究為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了新的工具和方法[61]。
第六部分:水凝膠應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)
開發(fā)水凝膠的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)主要包括以下幾個方面:
材料的選擇與合成:選擇合適的生物相容性好、易生物降解的材料是關(guān)鍵。例如,纖維素及其衍生物因其良好的生物相容性和環(huán)境友好性被廣泛應(yīng)用于藥物控釋、組織修復(fù)等領(lǐng)域[63]。此外,使用可再生資源如生物質(zhì)作為原料,以及通過綠色化學(xué)方法進(jìn)行合成,也是實現(xiàn)環(huán)境友好型水凝膠的重要途徑。
智能響應(yīng)性的設(shè)計與優(yōu)化:智能水凝膠能夠?qū)ν饨绛h(huán)境因素(如溫度、pH值、電場等)的變化產(chǎn)生顯著的體積或其他特性的變化[62][64][70]。因此,如何設(shè)計和優(yōu)化這些智能響應(yīng)性,以滿足特定應(yīng)用的需求,是一個重要的研究方向。例如,通過構(gòu)建具有不同結(jié)構(gòu)的高強度智能水凝膠,如超低交聯(lián)結(jié)構(gòu)水凝膠、納米顆粒復(fù)合水凝膠、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)水凝膠以及雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠,可以提高其力學(xué)性能和環(huán)境刺激響應(yīng)能力[62]。
快速響應(yīng)特性的實現(xiàn):在某些應(yīng)用中,如化學(xué)傳感器、藥物控釋載體等,需要水凝膠具有快速響應(yīng)特性[67]。因此,如何提高智能水凝膠的響應(yīng)速率,同時保持其穩(wěn)定性和可逆性,是另一個重要的挑戰(zhàn)。
環(huán)境可持續(xù)性的考慮:隨著對環(huán)境保護意識的增強,如何使水凝膠的生產(chǎn)過程更加環(huán)保,減少對環(huán)境的影響,成為了一個不可忽視的問題。例如,利用微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑(biosurfactants),不僅具有低毒性和高活性,而且是可生物降解的,有助于環(huán)境污染物的清理和環(huán)境保護[66]。
應(yīng)用領(lǐng)域的拓展:雖然環(huán)境友好型水凝膠在多個領(lǐng)域已顯示出巨大的應(yīng)用潛力,但如何進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍,特別是在新型材料、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用,仍然是一個長期的挑戰(zhàn)[71]。
結(jié)束語:隨著對生物體微環(huán)境理解和模擬的深入,未來的水凝膠將更精確地模擬人體組織的物理和化學(xué)特性。這將促進(jìn)新型藥物遞送系統(tǒng)、組織工程支架以及生物粘合劑的發(fā)展,為個性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)提供更先進(jìn)的工具。特別是,智能響應(yīng)性水凝膠將能夠在體內(nèi)特定條件下激活,實現(xiàn)精準(zhǔn)治療。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI),智能水凝膠將在環(huán)境監(jiān)測、健康監(jiān)護和智能家居等領(lǐng)域扮演核心角色。具有實時響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸能力的水凝膠傳感器將為遠(yuǎn)程監(jiān)控和即時決策提供支持,推動智慧城市和智慧醫(yī)療的建設(shè)。
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來源:器械研發(fā)那些事