【中科院之声】新型水凝胶：水下“便利贴”
大家肯定都吃过果冻、凉粉和豆腐，它们都属于水凝胶，也是我们今天所要讲的主角。其实不止这些，我们平时使用的面膜、隐形眼镜和纸尿裤等，都属于水凝胶的范畴。大多数水凝胶在完全溶胀时含水量超过70%，因此我们常见的水凝胶都是水水嫩嫩、滑滑的状态。
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水凝胶和我们的软组织非常的像，主要是因为它们有跟我们人体组织类似结构和理化性能，同时还具有类似的含水量（人体肌肉组织含水量高达72-80%），更重要的是它们大多数是无毒的。这些优点激发了大量科研工作者的兴趣和热情——将其应用到人体，替代、修复、保健人体受损组织。实际上在我们现实生活中已经出现了这样的产品，比如我们日常所用的退烧贴，它是一种利用水分蒸发来达到降温效果的水凝胶。然而当皮肤表面有水存在时（出汗），退烧贴会变得很滑，不能很好贴合到皮肤表面。这主要是因为大多数的水凝胶是一种亲水材料，当遇到水以后，聚合物网络会溶胀并且与水结合，此时水会阻碍凝胶与皮肤之间的接触，导致凝胶和皮肤之间很难粘合。
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有没有可能让水凝胶实现牢固的黏附呢？科研人员逐渐将目光转向了海洋，因为海洋中有大量的生物容易黏附在任何沉浸在海里的物体之上，比如船舶、渔网、管道、浮标。如果我们知道海洋生物是如何实现水下黏附的，这或许会解决水凝胶的黏附难题。研究人员发现，这些海洋生物，比如贻贝的黏附，取决于一种叫做3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）的物质。这种含邻苯二酚的物质具其非常优异的湿黏附性能，能够与其他各种材料实现牢固的黏附。然而将贻贝的黏附功能转移到一种具有高渗透性的凝胶材料上，并且不影响凝胶的其他性能，并非易事。
图1. 贻贝的黏附。（左）贻贝（a）贻贝足丝图，（b）贻贝不同种类足丝蛋白分布图
最近，中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员团队利用空间位阻效应，阻碍锚固层金属离子（Fe3+）和单宁酸的渗透，基于此将含邻苯二酚的胶黏剂P（MEA-co-DMA）（聚多巴胺甲基丙烯酰胺-甲氧基乙基丙烯酸酯）牢牢地锚定在PVA（聚乙烯醇）水凝胶表面，最终实现了一种能够水下黏附的水凝胶“便利贴”。
图2. 黏附水凝胶的制备流程及机理
更重要的是，这种方法可以实现凝胶的单面修饰，所得到的水凝胶“便利贴”两面具有完全不同的性质，一面“水水嫩嫩”的同时，另一面还能牢靠地贴在不同基底的表面。如果我们将用来锚固金属离子（Fe3+）替换为Cu2+时，该材料还可以表现出透明、防油污损、防生物污损的性能，在水下仪表、潜艇观望镜、潜水镜等方面具有一定的应用潜力。
图3.水下自清洁“便利贴”
以上工作得到了国家自然科学基金项目、中科院先导B培育项目和中科院青年创新促进会等的支持。
参考文献：
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2. Priemel T, Palia G, Forste F, Jehle F, Sviben S, Mantouvalou I, Zaslansky P, Bertinetti L, Harrington M. Microfluidic-like fabrication of metal ion–cured bioadhesives by mussels. Science, 2021, 374(6564), 206-211.
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来源：中国科学院兰州化学物理研究所
