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浙大杨卫院士哈佛大学锁志刚院士NSR综述功能性水凝胶涂层

2021-08-18 来源:连云港机械信息网

浙大杨卫院士/哈佛大学锁志刚院士《NSR》综述:功能性水凝胶涂层

水凝胶是在水中溶胀的天然或合成聚合物网络,可以机械,化学和电学方法与活组织相容。自从1960年发明水凝胶隐形眼镜以来,一直在进行医疗用水凝胶的深入研究和开发。最近,已经在各种基材上实现了具有受控厚度和坚韧性的功能性水凝胶涂层中国机械网okmao.com。水凝胶涂覆的基材将水凝胶的优点(如润滑性,生物相容性和抗生物结垢特性)与基材的优点(如刚度,韧性和强度)结合在一起。浙江大学杨卫院士团队和哈佛大学锁志刚院士团队合作综述了功能性水凝胶涂层的应用和功能;用具有强粘性的不同功能性水凝胶涂覆各种基材的方法,以及测试以评估功能性水凝胶涂层与基材之间的粘附性。并且给出了功能性水凝胶涂层的发展展望。相关综述以“Functional Hydrogel Coatings ”为题发表在《National Science Review》上。

水凝胶是水分子和亲水聚合物网络的聚集体。高含水量使水凝胶能够溶解和传输离子和许多小分子。聚合物网络通常是稀疏交联的,导致水凝胶柔软而有弹性。天然和合成的水凝胶种类繁多,具有不同的聚合物拓扑结构和化学成分,使其高度适应广泛的应用。功能性水凝胶可以在化学上、机械上和电学上模仿生物组织的功能。功能性水凝胶已确立的医疗应用包括组织工程、伤口敷料、隐形眼镜和药物输送。水凝胶还在可伸展设备和软机器人中发挥关键作用,例如肌肉状致动器、水凝胶鱼、软显示器、可拉伸离子电子学、皮肤传感器等。水凝胶应用中的关键挑战是实现水凝胶与其他材料之间的牢固粘合。尽管水凝胶长期以来一直被开发为伤口闭合的粘合剂,然而其粘附性被限制在10J/m2以下。

功能性水凝胶应用

水凝胶涂层的功能与应用

药物控释:基于水凝胶药物输送在空间和时间上都受到控制,提高了药物分配的准确性,并产生了更少的副作用。水凝胶的特征尺寸决定了可能的输送路线。所载药物的释放速率取决于药物向周围组织的扩散,并可通过使用可生物降解的聚合物网络构建水凝胶涂层来加速。此外,通过调节水凝胶聚合物网络与药物之间的分子相互作用可以有效地调节药物释放速率。

润滑:一些生物表面,如动物关节的软骨,本质上是由纤维性胶原和蛋白多糖组成的水凝胶。合成水凝胶表面有非粘附性的悬链,能够达到极低的摩擦系数,水凝胶的摩擦学行为与固体有很大的不同,它受到几个因素的影响,包括水凝胶的化学结构、滑动面的表面性质和测量。

抗污:生物污垢是由于有机体及其副产品的粘附而对表面造成的污染。植入式医疗器械的表面生物污垢是由异物反应引起的微生物或血栓性介质的粘附引起的。生物污垢限制了植入的医疗设备的寿命,甚至可能导致它们被移除和更换。水凝胶作为众所周知的亲水材料,可以大大提高涂层表面的亲水性。通常用作植入式医疗设备防生物污损涂层的水凝胶包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和天然多糖,如壳聚糖和葡聚糖。

神经电极的导电涂层:生物主要使用离子来传导电信号,而机器只使用电子。水凝胶离子电子学是一个新兴的研究领域,基于水凝胶的离子电缆在离子传导性方面模仿轴突的功能。在医疗应用中,水凝胶离子导体继承了水凝胶的生物相容性,是理想的神经电极导电涂层。

传感:水凝胶化学的多样性使其能够对各种刺激(如温度、pH、磁场和化学物质)做出广泛的响应,例如变形和透明度的变化。刺激响应型水凝胶在软致动器和软测量领域的应用非常有吸引力。刺激响应型水凝胶涂层与其他基材或器件结合产生了新的传感系统。

驱动器:作为驱动活性材料的刺激响应型水凝胶,在外界刺激的作用下,具有较大的驱动变形。通过使用用于水凝胶形成的刺激响应聚合物网络;在水凝胶基质中嵌入活性元件;以及设计具有室或通道的结构以用于通过液压或气压驱动,很容易实现水凝胶的刺激响应。涂层形式的活性水凝胶大多基于刺激响应性聚合物网络。在刺激作用下,聚合物网络的构象变化或交联密度的变化会导致水凝胶的溶胀/消胀,从而导致驱动的膨胀或收缩。

抗海洋生物污垢:海洋环境沉没表面遭受海洋污垢的积累,如藻类、硅藻和被称为海洋生物污垢的藤壶。海洋生物的污染减慢了船只的速度,导致额外的能源消耗和船只维护成本。在目标表面涂覆防污材料是在海洋环境中实现水下基质防污性能的最广泛采用的方法。水凝胶涂层的防污特性归因于其高度水合的表面。

油水分离:由于工业含油废水的增加和频繁的漏油事故,油污染正在成为对海洋和水生生态系统的世界性威胁。对高效、低成本、可重复使用的油水分离材料的需求日益迫切。超亲水和水下超疏油水凝胶涂层油水混合物分离滤膜具有无污染、循环使用等优点,在工业含油废水处理和溢油清理中具有广阔的应用前景。

功能性水凝胶涂层应用

水凝胶涂层方法

表面桥联:由于界面处存在丰富的水,水凝胶通过简单的附着与其他基质的粘附性本质上是低。较强的水凝胶粘附性是水凝胶的聚合物网络与基质之间强相互作用的结果。表面桥联强粘附的原理是:桥联分子的两端分别与水凝胶和基材形成强相互作用,在基材-涂层界面形成强粘合。

表面引发:表面引发法原则上适用于在大多数基底上形成水凝胶涂层。对于聚合物,疏水引发剂可以在适当溶剂(如乙醇、丙酮)的帮助下扩散到其表面。对于其他基底,如金属和陶瓷,可以在目标表面涂抹含有引发剂的引发剂,如聚醋酸乙烯酯,以引入引发剂。与水相比,大多数聚合物的表面能较低,阻碍了水凝胶前驱体在靶基体上的润湿。为了实现糊状水凝胶前驱体在基体上的稳定铺展或使水凝胶单体更好地扩散到靶表面,最好选择具有较高表面能的基质以获得更好的润湿性。为了满足这一要求,可以对目标表面进行表面处理以获得更高的表面能,或者可以向水凝胶前体中添加添加剂以降低表面张力。

水凝胶喷漆:水凝胶涂料的粘度可调,使用的是水含量或流变改性剂,因此可以将其涂抹和接枝到具有复杂结构的基材上,并由水凝胶涂料的氧不敏感性固化并与基材粘合,例如通过硅烷缩合,确保了水凝胶涂层在环境中的成功形成。所有这些优点使得水凝胶涂料方法在实际应用中成为一种很有吸引力的水凝胶涂层形成方法。水凝胶涂料中的官能团或偶联剂决定了其应用和有效性。例如,硅醇基团可以与目标基材上的羟基缩合,以增强粘结,并相互缩合以固化水凝胶涂料。

水凝胶涂层方法

水凝胶涂层的粘附

凝胶涂层和基底之间的附着力是剥离单位面积的水凝胶涂层所需的能量,并且具有J/m2的单位,它量化了涂层的脱粘阻力。水凝胶涂层附着力随厚度变化。目前主要测试方法有剥离试验,简单拉伸试验,划痕试验,探头拉力试验,双悬臂梁试验。

水凝胶粘附测试方法

总结

本文综述了功能水凝胶涂料的最新进展,重点介绍了功能水凝胶涂料的功能与应用、涂层方法和黏附强度试验方法。功能性水凝胶涂料有望在各种应用中发挥关键作用。水凝胶涂层方法已经开始在实验室中实现坚韧的附着力,但在转化为大规模生产的过程中仍然存在一些空白。需要开发坚韧的水凝胶涂料,水凝胶涂层在加载下的附着力是否与静态加载相同是值得怀疑的。功能性水凝胶涂层在恶劣环境(如海水和生物条件,包括体液和血液)中的长期稳定附着力对其应用非常重要。水凝胶涂层与基体之间的界面结合以及功能水凝胶涂层本身在长时间浸泡在这些环境中后都会退化,导致涂层分层或断裂失效。最后,缺乏一种通用的测试方法来测量水凝胶涂层的附着力,特别是当涂层非常薄的时候,最根本的困难是如何定量地剥离涂层。

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