强韧水凝胶与固体材料粘合技术突破：推动柔性机器与仿生系统发展

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    自然界中的生物体，包含从完全柔软的腔肠动物到脊椎动物等各类生物。它们都是由凝胶、纤维等结构的各种生物材料融合而成的。技术上虽无法完全复制这些材料的复杂性，但强韧水凝胶具有独特性质，推动了柔性机器的发展，也推动了柔性电子产品的发展，并且催生了新一代的仿生系统。水凝胶可以与弹性体、聚合物、金属或矿化组织等固体材料进行复合，从而实现人造组织的高度功能化。但是，要克服不同物质与富含水的水凝胶粘合时界面韧性低的问题是极具挑战性的。最近有文献报道，通过自组装对基质表面进行官能化，能够实现韧性凝胶与无孔固体表面之间的牢固粘合；通过紫外（UV）引发聚合，能够实现与弹性体的粘合。然而，这些方法都需要让基质表面进行一段较长时间的固化过程。但这对于一些敏感的表面来说是难以做到的。所以，它们不能适用于各种各样的基质，并且在骨折愈合以及其他对时间有严格要求的应用（像快速成型和高通量制造）中，缺乏那种至关重要的即时性。

    最近，约翰开普勒林茨大学的（通讯作者）等人进行了相关报道。他们提出了一种方法，能够将水凝胶牢固地粘合在各种基质表面。此方法先是把氰基丙烯酸粘合剂分散到非溶剂里，接着把分散液旋涂到基质表面，最后把水凝胶按压在基质上。用这种方法制备出的复合体，其界面韧性能达到 2000 J/m2。研究者们利用这种方法制备了柔性传感器，还制备了发电机、自适应透镜以及柔性电子设备，这些柔性电子设备包括可伸缩电池、自供电电路和自动触发药物递送的电子皮肤。相关成果以“tough of for soft and”为题发表在某刊物上，某人和某人是本文的共同第一作者。

    图文导读

    图1：将水凝胶即时紧密地粘合到各种材料上。

    H 到 J 展示的是镀铜的导电 PET 膜粘合在预拉伸水凝胶上的情况。

    从 A 图能看出，粘合剂分散液有粘合作用，能粘合(ⅰ)水凝胶，能粘合(ⅱ)水凝胶与弹性体，还能粘合(ⅲ)水凝胶与可弯曲的薄膜；从图 B可知，粘合剂单体扩散到水凝胶和弹性体网络中后开始聚合，且粘合剂分子链与这两个网络发生了物理缠结；C 图和 D 图表明，剪断的导电水凝胶用本文的方法修复后，几乎完全恢复了机械性能和导电性；E 图、F 图和 G 图表示，将水凝胶与弹性体粘合在一起后，在面积上可以拉伸 1000%而不会被破坏；H 图、I 图和 J 图展示了将镀铜 PET 膜粘合到预拉伸水凝胶上的情况。

    图2：即时粘合的界面韧性、光学透明性和可拉伸性。

   

    90°剥离测试的示意图；PVA（绿）、PAAm/-PET（浅蓝）以及 PHEMA（紫）复合体的界面韧性情况；PHEMA（紫）、PAAm/（浅蓝）和 PVA（绿）水凝胶对各种基质的界面韧性状况；VHB（黄）、PAAm 水凝胶（蓝）以及 VHB/PAAm 复合体的透光度与吸光度曲线；VHB-PAAm 复合体在拉伸之后的透光率曲线。

    A 图展示了 90°剥离测试的示意图以及相关照片，从图中能够看出水凝胶在测试过程中发生了内聚破坏；C 图对 PHEMA、PAAm/、PVA 这三种水凝胶在不同基质上的界面韧性进行了总结，由此可知，PHEMA、PAAm/、PVA 三种水凝胶的界面韧性分别为 736 ± 112 J/m2、1427 ± 89 J/m2 和 2208 ± 186 J/m2；D 图展示了 VHB、PAAm 和 VHB/PAAm 三者的透光率，这表明本方法对材料的光学透明性没有明显的影响。

    图3：柔性自适应透镜和具有瞬时粘合水凝胶电极的能量收集器。

    A-C 分别为自适应透镜的示意图、实物图以及焦距 - 电压曲线；D-E 表明激光轨迹的变化显示透镜的焦距受电压控制；F 为用可变形弹性体 - 水凝胶电容器将机械能转换为电能的示意图；G 是可变形球形弹性体 - 水凝胶电容器的照片；H-J 包含可变形电容器的归一化电容 - 拉伸比曲线、一次形变循环的机械能和电能变化图。

    B 图显示自适应透镜内字母大小有变化，这说明给透镜加上 6.5Kv 电压后其焦距变大了；C 图表明当电压增加到 6.5kV 时，透镜焦距变大了 110%；H 图和 J 图展示了可变形球形弹性体 - 水凝胶电容器一次变形循环过程中机械能和电能的变化，其能量转化率大约为 11%。

    图4：韧性可拉伸的电池和自供电的可拉伸电路。

    同时还有 90°卷曲下的照片。

   

    B 图的奈奎斯特图显示，上下架构的电池其内阻比左右架构的电池内阻小。C 图里，因为拉伸使得水凝胶分隔层变薄了，所以内阻就减小了。E 图和 F 图表明，可拉伸电路在经过拉伸和扭曲之后，能够保持功能的完整性。

    图5：水凝胶电子皮肤。

    J.绿色食品着色剂在水凝胶基质中热触发扩散的图像。

    C 图表明对四个加热器做有限元模拟，其热量分布与红外热成像照片上的热量分布拟合得很好；D 图也表明了这一点。E 图表示在手机上打开加热器开关后，通过热成像仪能观察到加热器温度上升；F 图同样表示了这一情况，说明电子皮肤成功地运行起来。从 J 图可以看出，加热之后，绿色染料扩散到水凝胶中，这证明了热触发药物递送的可行性。

    小结

    本文介绍了一种简便且通用的方法，能将水凝胶快速粘合到各种材料上。用此方法得到的复合体，其界面韧性超出了凝胶固有的断裂强度。作者们借助这种方法制作了柔性机器和电子设备，像自适应透镜、柔性发电机、柔性电池以及水凝胶电子皮肤。该方法的应用范围包括机器人，包括可再生能源的收集，包括电子产品和可穿戴设备，还包括新一类医疗工具和健康监护设备等诸多方面。

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