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在不同材料表面生长水凝胶涂层的通用策略

       水凝胶是具有三维交联网络结构的亲水聚合物,由于较好的生物相容性、刺激响应性和类似与自然组织的生化性质,激发了研究人员在包括组织工程、生物医药等众多领域的研究兴趣,尤其是将水凝胶作为基材表面功能涂层,用以改变材料表面性能的前景广阔。表面催化引发自由基聚合的方式是制备水凝胶涂层的策略之一,这种方式需要事先将铁催化剂掺杂在基材内,从而会导致材料内在性质的改变;近几年,由国内研究人员提出的表面光/热引发的方式,可以利用水凝胶涂层在各种医疗设备和软机器人上进行表面改性,但由于长期(30 - 90min)的紫外线照射/加热,会引起单体溶液远离反应界面的交联聚合或粘度增加。因此,如何在温和的反应条件下,在不同组成材料表面可控地生长水凝胶,一直是该领域突破难点。
       近期在《
Advanced Materials》上一篇名为“A Universal Strategy for Growing a Tenacious Hydrogel Coating from a Sticky Initiation Layer”的文章中,兰州物化所等机构的研究人员提出了一种紫外-表面催化引发自由基聚合的方式,在室温条件下实现了自由基快速聚合,并在不同形状、组成的材料上生长出了水凝胶涂层。这种方式还具有对氧气不敏感、单体溶液可重复使用、厚度可控的特点,并且借助与材料表面形成较强的界面结合作用,显著的降低了材料表面摩檫力,有效改善了材料润滑性能。
       研究所提出的紫外-表面催化引发自由基聚合的方式中,在基材表面沉积聚多巴胺(PDA)胶粘剂涂层是该方法的关键步骤。研究利用PDA中的邻苯二酚和活性位点分别与铁离子、材料表面分子形成较强结合,然后在紫外照射条件下,铁离子还原成亚铁离子,PDA胶粘层转变为具有活性的粘性功能层(SIL),随后过硫酸根离子与亚铁离子在固液两相界面发生氧化还原反应,生成硫酸根自由基,在室温条件下自由基快速聚合就可以得到丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶涂层(HPAA-PAM)。PDA的沉积时间和涂层生长时间是控制涂层厚度两大因素,研究人员通过在亲水钛和疏水聚乙烯材料上进行水凝胶生长动力学研究,观察到随时间延长涂层厚度增加的情况,后续应用中就可以通过控制这两种时间来实现涂层厚度可控。另外,利用这种方式无论是在钛基材上生长不同组分的水凝胶涂层,还是在不同组成材料上生长HPAA-PAM都可以看到一定厚度涂层的生长。更重要的是,借助PDA与界面形成较强的结合作用,在不同尺寸、形状的医疗设备上同时实现了涂层生长和厚度控制的前提下,分别在模拟的三维腔组织环境和真实牛食道中进行了演示实验,生长有水凝胶涂层的球体与腔道内壁摩檫力明显降低,从而在医学植入/干预过程中展现出潜在的应用价值。
       紫外-表面催化引发自由基聚合的方式使在不同材料上生长出水凝胶涂层成为可能,是一种适用性十分广阔的通用策略。这种创新的方法可以成为表面/界面科学和工程领域的通用修改工具。(AMSC & QYIM JY He编报)


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