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哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作研发光响应可拆卸粘接技术
2018-12-18 来源:中国流变网    点击次数:192次    

  材料界面间的强粘接往往意味着难以分离。强行剥离可能导致基底材料的损伤甚至撕裂。在柔性器件、可穿戴设备、伤口敷料、经皮给药等领域的众多应用场景中,同时实现不同材料特别是含水材料界面间强的粘接与可拆卸性非常重要。含水材料间的强粘接可以通过在界面形成共价键、物理相互作用或两者的结合来实现,但如何同时赋予其简单快速的可拆卸性仍是目前研究领域的一大问题。共价键导致的粘接产生后很难去除,物理相互作用导致的粘接在去除时通常需要在粘接处涂抹脱粘剂,这样可能使操作复杂耗时,并且带来化学污染。

  针对这一问题,西安交通大学航天航空学院软机器实验室与哈佛大学锁志刚教授课题组提出光响应可拆卸粘接的概念。基于锁志刚教授哈佛课题组提出的“分子缝合技术”,研究人员将聚合物溶液作为胶水涂在由亲水三维网络和大量水组成的两基底材料之间,聚合物溶液受到触发而交联成网络,与基底材料的网络形成拓扑缠结,从而产生强韧的粘接。当受到特定光源辐照时,缝合聚合物网络解离而重新成为溶液,使得强粘接被有效去除。

1. 光响应可拆卸粘接基本原理

  此概念中,作为胶水的聚合物溶液交联成网络以及该网络在光刺激下的解离这两个关键过程可以通过许多化学设计来触发,研究人员通过两个简单易行的化学反应来论证这一概念:1)Fe3 和羧基可以形成配合物;2)在紫外光照射下,与羧基配合的Fe3 会还原为Fe2 ,且配合物解离。以水凝胶的粘接为例,研究人员将聚丙烯酸(PAA)溶液分别涂抹于两片水凝胶表面,静置数分钟,待聚丙烯酸分子链渗透至水凝胶中;随后滴加一定pH的Fe3 与柠檬酸混合溶液至一片水凝胶表面并将另一片水凝胶盖上静置。Fe3 扩散至两片凝胶中,将预先存在的聚丙烯酸分子链交联成网络,与水凝胶自身的网络形成拓扑缠结,从而产生强韧的粘接,其粘接能可与基底材料的断裂能相当(图1a)。将粘住的两片水凝胶置于于365 nm, 60 mW cm-2 的紫外光源下照射3分钟左右可使粘接能降低超过90%,从而实现了简单高效的剥离(图1b)。

图1 光响应可拆卸粘接的机理示意及效果图

视频1 两片水凝胶间的强粘接状态及紫外光触发的脱粘状态

2. 光响应可拆卸粘接方法的普适性

  除聚丙烯酸外,一系列带有羧基基团的合成或天然聚电解质如海藻酸盐,羧甲基纤维素,透明质酸等均可被用作光响应可拆卸粘接的聚合物胶水(图2a)。这些天然聚合物的粘接能力虽然略低于PAA,但其粘接能仍然可以达到60~90 J m-2,对于许多实际应用来说已经足够强。并且在紫外光(60 mW cm-2,3分钟)照射后,粘接均可被有效去除。此外,光响应可拆卸粘接的方法由于不依赖基底材料上特定的官能团,因而可被应用于不同类型的水凝胶之间(图2b)。特别地,由于皮肤和组织器官是类似于水凝胶的可渗透基质,因此该体系也可以实现水凝胶和这些生物材料之间的粘接(图3)。研究人员通过Fe3 交联的PAA网络将水凝胶粘附到猪皮和肝脏上,同样也获得了相对较高的粘接能。且在几分钟的紫外光照射后,水凝胶也可以很轻易地从组织表面剥离。

图2 光响应可拆卸粘接方法的普适性

图3 水凝胶与生物组织间的光响应可拆卸粘接

3. 不同类型基底材料间的光响应可拆卸粘接

  除水凝胶外,光响应可拆卸粘接的方法可以推广至其他各类基底材料间(如弹性体和无机固体)。研究人员提出了缝合聚合物网络与不同基底材料间的三种基本联结模式:1)与基底自身的网络拓扑缠结,2)与基底上化学修饰的网络拓扑缠结,以及3)与基底直接化学键合。通过这三种基本模式以及它们的组合可以实现不同类型基底材料间的光响应可拆卸粘接(图 4)。

图4 不同类型基底材料间的光响应可拆卸粘接

  光响应可拆卸粘接具有广泛的应用前景。例如在水凝胶作伤口敷料及经皮给药的应用中,水凝胶与组织间的强粘接可以确保其功效的发挥,而非接触式的光触发脱粘则可以确保功能完成后水凝胶从皮肤表面无损伤无痛的剥离。在柔性器件和可穿戴设备的制造及使用中,非侵入式的可拆卸粘接可能更有利于回收部件的转移及拆卸。此外,基于光响应可拆卸粘接的概念,可响应不同频段光源的可拆卸粘接也有望通过一系列化学设计来实现,比如不易被生物组织吸收的近红外光等。这一概念的推广有助于满足许多重要领域中的新需求。

  该研究工作发表于Advanced Materials (2018, 1806948)。西安交通大学航天航空学院青年教师高扬博士及研究生邬康伶为论文共同第一作者。哈佛大学、美国工程院院士锁志刚教授为论文通讯作者。

  论文信息及链接:

  Yang Gao, Kangling Wu, Zhigang Suo, Photodetachable Adhesion, Adv. Mater. 2018, 1806948.

  https://doi.org/10.1002/adma.201806948

 
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