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  水凝膠作為涂層材料，能夠實現傳統的基底材料表面的功能化(例如超親水性、潤滑性、生物相容性和載藥功能等)。水凝膠種類和功能的多樣性使得這種功能化在如載藥釋藥、醫療器械、人造皮膚、軟機器人、離子導體傳感器和海洋防污等領域的諸多應用備受期待。然而，傳統水凝膠合成中，聚合、交聯和表面粘接這三個過程同時發生難以分離，從而引入了合成毒性大、易產生環境污染和反應條件苛刻等不利因素，限制了水凝膠涂層的應用前景。

  近日，哈佛大學鎖志剛教授課題組提出了聚合、交聯和表面粘接進程分離的新型凝膠涂層合成范式。通過引入可控偶聯劑實現與普通油漆的生產和使用模式類似（即：將聚合反應歸入化工生產環節，將交聯與表面粘接歸入使用環節）的“水凝膠漆”。在該工作中引入硅烷偶聯劑作為本策略的一個具體實施范例，制備了水凝膠漆。此水凝膠漆能在暴露于室溫空氣的條件下，在多種基底材料表面(如彈性體、塑料、玻璃、陶瓷或金屬等)，通過多種涂層制備方式(如刷涂、鑄模、浸涂、旋涂或噴涂等)制得水凝膠涂層。通過在醫用導絲、硅橡膠和金屬船模型表面制備的水凝膠涂層和不同的功能演示，展示出水凝膠漆強大的適用性。該工作有望推動水凝膠涂層的產業化和日常化應用。

圖1 水凝膠漆的合成（a）、基底的準備（b）、水凝膠漆的使用（c）以及形成水凝膠涂層的化學過程（d）

  水凝膠漆的整個應用過程可以分為四步（圖1）。首先，通過將可控偶聯劑與聚合物的單體共聚獲得共聚物（圖1a）。由于可控偶聯劑在合成中不發生偶聯，因此共聚物在水中呈溶液狀態，其溶液黏度能夠通過多種合成參數的調節實現調控。其次，作為基底的固體表面需要具有能夠與可控偶聯劑復合的相應化學基團（圖1b）。例如，基于硅烷偶聯劑的水凝膠漆可以通過硅氧烷基團的脫水縮合與表面富含羥基的金屬、玻璃、陶瓷等固體產生化學粘接。或者通過氧氣等離子體或紫外-臭氧處理等方式使塑料、橡膠等材料表面羥基化，從而實現化學粘接。再次，水凝膠漆的工人根據不同的實際需要，通過多種的方式將水凝膠漆涂敷于基底表面（圖1c）。可控偶聯劑獨立于自由基聚合反應，可以在有氧氣和室溫的條件下進行，因此能夠自如地適應不同的涂敷方式。涂敷在固體表面的水凝膠漆通過偶聯反應一方面實現聚合物鏈的交聯，生成水凝膠；另一方面與固體表面生成化學粘接，實現水凝膠涂層與表面的化學粘附，保證了涂層的機械穩定性（圖1d）。

圖2 未固化水凝膠漆的流變性能（a和b）與固化后水凝膠漆的粘接性能（c和d）

  水凝膠漆的應用和性能受到很多因素的影響。研究人員針對其中的兩種進行了詳細的研究，分別是鏈轉移劑和硅烷偶聯劑。在水凝膠漆固化前，仍然處于液態的水凝膠漆的流變性能決定了水凝膠漆適用于哪種工藝。例如，粘稠的漆適用于粉刷而較稀的漆則適用于噴涂。實驗結果表明，隨著鏈轉移劑用量的增加，未固化的水凝膠漆的粘度逐漸下降（圖2a）。這是由于鏈轉移劑的作用是使得聚合物鏈的長度變短，而越短的聚合物鏈，相互之間的糾纏程度越低，從而粘度越低。隨著硅烷偶聯劑用量的增加，未固化的水凝膠漆的粘度逐漸升高 （圖2b）。這是由于硅烷偶聯劑水解后產生羥基，增加分子間氫鍵的作用，從而使得粘度升高。 在水凝膠漆固化后，界面粘接強度和固化后水凝膠網絡的強度，決定了水凝膠漆的強度。研究人員通過剝離實驗測試粘接強度。在剝離過程中，裂紋沿著固化后的水凝膠漆的內部擴展，說明界面的粘接強度比水凝膠本身的強度高，實驗測得的粘接強度由水凝膠的強度決定。實驗結果表面，粘接強度隨著硅烷偶聯劑的增加而降低（c），這是由于增加硅烷偶聯劑的效果等效于增加網絡的交聯密度。粘接強度隨著鏈轉移劑的增加而降低（d），這是由于增加鏈轉移劑使得聚合物鏈變短，網絡的完整性降低。

圖3. a.醫用鎳鈦導絲浸涂水凝膠漆的示意圖和實物圖。b.掃描電鏡圖顯示涂層前導絲表面粗糙。c.掃描電鏡圖顯示水凝膠涂層導絲表面光滑。d.浸涂速度越快，水凝膠涂層越厚。e, f.水凝膠涂層厚度隨著溶脹時間先增加后趨于穩定。g.導絲摩擦實驗示意圖。h, j.水凝膠涂層能顯著降低導絲的摩擦力。且改潤滑性能在多大50個摩擦循環中保持穩定。

  水凝膠由于其良好的生物相容性，抗生物粘附性，以及低摩擦等特點，在醫療器械涂層方面具有較高的應用價值。例如，醫用鎳鈦合金導絲由于在手術中反復在血管內穿梭，因此必須同時保證與血管內壁間摩擦阻力小以及足夠的生物相容性。通過本工作中的水凝膠漆在醫用導絲表面制備水凝膠涂層有望實現上述功能。他們將水凝膠漆（聚丙烯酰胺，PAAm）浸涂在鎳鈦導絲表面（圖3a）。通過SEM觀察發現，制得的水凝膠涂層使原本粗糙的導絲表面變得光滑（圖3b，3c）。水凝膠涂層的厚度可以通過改變浸涂速度實現可控調節（2-20 μm）（圖3d）。水凝膠涂層在水環境中的穩定性是人們普遍關注的一個問題。他們通過實驗發現，水凝膠漆制備的水凝膠涂層能夠在一秒內達到溶脹平衡（平衡時厚度約為10 μm），這與溶劑擴散理論推測的理論時間（～0.1 s）相一致（圖3f）。目前行業對于醫用導絲摩擦阻力尚缺乏統一的評價體系，因此他們根據導絲實際應用場景設計了簡單摩擦實驗裝置（圖3g）。實驗結果表明水凝膠涂層顯著降低了導絲的摩擦力（圖3h）。更重要的是，這種低摩擦狀態能夠至少在50個循環的反復摩擦過程中保持穩定（圖3i）。

圖4：a.他們采用注模的方式，在硅橡膠表面形成圖案化溫敏水凝膠涂層。該涂層在不同水溫刺激下，其透明性發生可逆轉變。b.他們采用旋涂的方式，在硅橡膠表面制備了酸堿響應型水凝膠涂層。水凝膠涂層在不同酸堿度下發生收縮或溶脹，從而實現驅動。c.他們采用刷涂的方式在模型船體的鋁表面形成中性水凝膠涂層。水凝膠涂層能夠有效地抵抗水面油污對船體的污染。

  水凝膠漆可以實現不同種類的水凝膠涂層（如溫度與酸堿響應型水凝膠涂層），作用于不同的基底（如彈性體，金屬，玻璃，塑料），并適用于不同的涂層工藝（如旋涂，浸涂，刷涂，注模等）。課題組通過一系列實驗演示水凝膠漆廣泛的適用性。他們采用注模的方式，在硅橡膠表面制備了溫敏水凝膠（聚異丙基丙烯酰胺，PNIPAm）圖案化涂層。在不同的溫度刺激下，水凝膠涂層發生可逆相變，導致透明性發生可逆的轉變。他們通過選用丙烯酸（Acrylic acid）水凝膠單體制備了pH響應型水凝膠漆，并采用了旋涂的方式，在硅橡膠表面制備了酸堿響應型水凝膠涂層。該涂層通過穩定的界面化學粘接實現了凝膠-橡膠雙層結構。這一雙層結構在水凝膠涂層在不同pH條件下發生收縮或溶脹的帶動下實現驅動。最后，研究人員采用刷涂的方式在鋁材質模型船體的表面制備了PAAm水凝膠涂層。實驗演示表明水凝膠涂層能夠有效地抵抗水面的油污（染紅色）對船體的污染。

  這一研究工作最近發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。論文的三個共同第一作者包括：姚晰博士，在哈佛大學工學院做博士后期間完成相關研究工作，現為河南大學特種功能材料實驗室特聘教授；劉俊杰，浙江大學博士研究生，目前以國家公派聯合培養研究生在哈佛大學工學院交流學習；楊燦輝博士，在哈佛大學工學院做博士后期間完成相關研究工作，現為南方科技大學力學與航空航天工程系助理教授。共同作者還包括：楊栩旭，浙江大學博士研究生，目前以國家公派聯合培養研究生在哈佛大學工學院交流學習；魏繼昌，蘇州茵絡醫療器械有限公司研發總監；夏崟博士，蘇州凝智新材料有限公司總裁；龔霄雁博士，蘇州茵絡醫療器械有限公司董事長。美國科學院院士、美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授為通訊作者。

  論文信息與鏈接：

  Xi Yao, Junjie Liu, Can Hui Yang, Xuxu yang, Jichang Wei, Yin Xia, Xiaoyan Gong, Zhigang Suo, Hydrogel Paint, Advanced Materials, 2019, https://doi.org/10.1002/adma.201903062.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903062