NSR:功能性水凝膠涂層綜述

Title：Functional hydrogel coatings

Authours：Junjie Liu, Shaoxing Qu, Zhigang Suo and WeiYang?

National Science Review,2020 ,DOI:10.1093/nsr/nwaa254

引言

水凝膠是軟物質(zhì)的一個(gè)家族，是水分子和親水聚合物網(wǎng)絡(luò)的聚合體。聚合物網(wǎng)絡(luò)通常是稀疏交聯(lián)的，導(dǎo)致水凝膠柔軟而有彈性。它們?cè)谧匀唤缰衅毡榇嬖冢瑥膭?dòng)物組織中的肌肉和軟骨到植物中的木質(zhì)部和韌皮部。水凝膠的多樣性，天然的和合成的，具有不同的聚合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，使他們高度適應(yīng)大量的應(yīng)用。功能水凝膠可以通過化學(xué)、機(jī)械和電模擬生物組織的功能。功能水凝膠已被成功地涂覆在任意形狀的具有強(qiáng)鍵的襯底上。水凝膠涂層的襯底結(jié)合了襯底和水凝膠的功能，實(shí)現(xiàn)了新的功能和應(yīng)用，此外，水凝膠涂層作為結(jié)構(gòu)部件在新興的水凝膠機(jī)械領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，水凝膠機(jī)械主要集中在包含水凝膠的設(shè)備和機(jī)器人。在水凝膠的應(yīng)用中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)水凝膠與其他材料之間的強(qiáng)結(jié)合。

浙江大學(xué)Wei Yang教授（通訊作者）課題組從三個(gè)方面對(duì)功能性水凝膠涂料進(jìn)行了綜述:(i)水凝膠涂層的應(yīng)用和功能，(ii)用不同功能水凝膠涂覆各種基材并具有堅(jiān)韌附著力的方法，(iii)評(píng)估功能水凝膠涂層與基材之間附著力的測(cè)試。最后給出了結(jié)論和展望。相容相關(guān)成果以“Functional hydrogel coatings”為題發(fā)表在《National Science Review》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1：水凝膠的典型應(yīng)用

(a)水凝膠以很強(qiáng)的附著力密封豬心臟上的切口。(b)用于藥物傳遞的水凝膠。載藥水凝膠的特征大小決定了相關(guān)的輸送路線。(c)作為膀胱逼尿肌使用的水凝膠致動(dòng)器可以幫助縮小動(dòng)物的膀胱。(d)一種在水中具有光學(xué)和聲學(xué)偽裝的水凝膠魚。(e)一種由離子導(dǎo)電水凝膠和介電彈性體制成的新型透明揚(yáng)聲器。(f)用于拉伸和壓縮測(cè)試的水凝膠傳感器。

功能性水凝膠已建立的醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括組織工程、傷口敷料(圖1a)、隱形眼鏡和藥物傳遞(圖1b)。水凝膠在可伸縮設(shè)備和軟機(jī)器人中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如肌肉樣促動(dòng)器(圖1c)、水凝膠魚(圖1d)、軟顯示器、可伸縮離子電子學(xué)(圖1e)、皮膚傳感器(圖1f)和軸突樣互聯(lián)在水凝膠的應(yīng)用中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)水凝膠與其他材料之間的強(qiáng)結(jié)合。水凝膠作為傷口閉合的粘合劑已經(jīng)開發(fā)了很長時(shí)間，但是幾十年來，其粘附力一直限制在10J/m2以下。當(dāng)Yuk等人將水凝膠黏附在無孔表面和彈性體上時(shí)，黏附力大于1000J/m2，這是一個(gè)革命性的進(jìn)步。高附著力是通過水凝膠中聚合物網(wǎng)絡(luò)與基體之間的共價(jià)鍵和水凝膠中能量耗散犧牲鍵的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的。

圖2：水凝膠在涂料中的應(yīng)用實(shí)例

(a)載藥水凝膠涂層金屬支架。(b)生物醫(yī)學(xué)導(dǎo)管和Foley導(dǎo)管上的光滑水凝膠涂層。(c)外科手術(shù)中使用的鎳鈦諾導(dǎo)絲上的彩色水凝膠涂層。(d)在由鉑制成的耳蝸電極陣列上的生物相容性和導(dǎo)電水凝膠涂層。(e)基于光的干擾的感應(yīng)系統(tǒng)中的刺激響應(yīng)水凝膠涂層。(f)模型船防油污水凝膠涂層。

藥物傳輸：圖2a的植入醫(yī)療器械支架在藥物傳遞系統(tǒng)中，它可以將藥物運(yùn)送到目標(biāo)位置，并以可控的速度釋放藥物。另外還有神經(jīng)電極的水凝膠涂層中的藥物或納米顆粒的主要功能包括抗菌、抗凝血、抗炎活性、向周圍組織輸送營養(yǎng)物質(zhì)、以及骨科種植相關(guān)感染的預(yù)防。

潤滑能力：一些有顏色的生物表面，如動(dòng)物關(guān)節(jié)軟骨，本質(zhì)上是由纖維膠原蛋白和蛋白聚糖組成的水凝膠。合成水凝膠，在其表面具有非粘性懸垂鏈，能夠?qū)崿F(xiàn)極低的摩擦系數(shù)，在10-4的數(shù)量級(jí)。用于建造導(dǎo)管的典型生物材料是聚合物，如硅酮和聚氯乙烯(PVC)，這些聚合物對(duì)體液沒有反應(yīng)，但與周圍組織有很大的摩擦，很可能發(fā)生生物污染。如圖2b，具有顏色的生物相容性的水凝膠涂層可以使導(dǎo)管插入到曲折的解剖路徑，減少組織刺激。另外如圖2c的金屬導(dǎo)絲，它是一種用于將植入物(如支架)運(yùn)送到所需位置的醫(yī)療設(shè)備。使導(dǎo)絲表面泛黃有助于減輕手術(shù)難度，減輕患者不適。

防污染技術(shù)：由于生物體及其副產(chǎn)品的附著而對(duì)表面造成的污染。涂層與周圍環(huán)境之間形成水化層，水化層起到物理屏障的作用使親水表面抵抗污垢劑的粘附。

神經(jīng)電極導(dǎo)電涂層：將鹽溶解在水凝膠的水組分中獲得的流動(dòng)離子使水凝膠具有離子導(dǎo)電性。含鹽水凝膠的電阻率為?101Ωm，純水的電阻率為18.2MΩm。生命物質(zhì)大多使用離子來傳導(dǎo)電信號(hào)，而機(jī)器只使用電子。基于水凝膠的離子電纜模擬了軸突在離子導(dǎo)電性方面的功能。水凝膠基離子導(dǎo)體可以高速傳輸電信號(hào)，比溶液中離子的擴(kuò)散率高16個(gè)數(shù)量級(jí)，使離子導(dǎo)體能夠在10cm的距離內(nèi)傳輸高頻率電信號(hào)(最高100MHz)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，水凝膠離子導(dǎo)體繼承了水凝膠的生物相容性，是理想的神經(jīng)電極導(dǎo)電涂層。水凝膠涂層作為剛性神經(jīng)電極和軟組織之間的機(jī)械緩沖器，減輕由電極和組織之間的微運(yùn)動(dòng)引起的創(chuàng)傷所導(dǎo)致的膠質(zhì)疤痕的形成。如圖2d當(dāng)涂上導(dǎo)電水凝膠時(shí)，長期植入的神經(jīng)電極在10億次刺激下保持低阻抗。水凝膠涂層的生物相容性也能有效減少電極周圍神經(jīng)細(xì)胞的損失。此外，在涂覆水凝膠之前，可以在金屬電極上沉積一層導(dǎo)電聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，從而增強(qiáng)電極與組織之間的電導(dǎo)率。負(fù)載神經(jīng)生長因子的水凝膠涂層能夠增強(qiáng)神經(jīng)元存活，促進(jìn)電極周圍神經(jīng)細(xì)胞的分化。

傳感：水凝膠化學(xué)的多樣性使其能夠?qū)Ω鞣N刺激(如溫度、pH值、磁場和化學(xué)物質(zhì))做出廣泛的反應(yīng)，例如變形和透明度的變化。刺激響應(yīng)水凝膠對(duì)軟執(zhí)行器和軟傳感器應(yīng)用有吸引力。將刺激響應(yīng)型水凝膠涂覆在硅片上制備的水凝膠干涉測(cè)量法，通過改變水凝膠的厚度，對(duì)揮發(fā)蒸汽、濕度、銅離子和糖蛋白等敏感。圖2e是由于水凝膠與硅片表面反射的光的干涉，呈現(xiàn)出不同的可見結(jié)構(gòu)顏色。由于檢測(cè)是基于目標(biāo)小分子通過厚度方向向水凝膠涂層擴(kuò)散，因此本傳感系統(tǒng)中使用的薄水凝膠涂層(約100nm量級(jí))能夠快速響應(yīng)平衡狀態(tài)。這種傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是化學(xué)、力學(xué)和光學(xué)協(xié)同作用的結(jié)果。水凝膠涂層的光纖布拉格光柵(FBG)可以測(cè)量鹽度。在不同的鹽水濃度下，水凝膠涂層膨脹達(dá)到不同的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致不同的FBG拉伸，反射布拉格信號(hào)的波長發(fā)生相應(yīng)的偏移。原則上，該傳感系統(tǒng)可以通過相同傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)凝膠化學(xué)進(jìn)行修飾，擴(kuò)展到其他化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。基于表面等離子體共振光譜，葡萄糖磷酸鋇鹽印水凝膠包覆在金表面可產(chǎn)生葡萄糖選擇性傳感器。當(dāng)金納米顆粒摻入水凝膠涂層以獲得更高的折射率時(shí)，傳感器的靈敏度顯著提高，使傳感器能夠檢測(cè)到去離子水中濃度為μg/mL的葡萄糖。

刺激驅(qū)動(dòng)：作為驅(qū)動(dòng)材料的刺激響應(yīng)型水凝膠具有較大的外部刺激(如pH、溫度、磁場、液壓或氣動(dòng)壓力)觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)變形。水凝膠的刺激響應(yīng)可以通過使用刺激響應(yīng)的聚合物網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)(例如，聚n-異丙基丙烯酰胺對(duì)溫度的響應(yīng)，聚丙烯酸對(duì)pH的響應(yīng));在水凝膠基質(zhì)中嵌入活性元素(如用于磁場響應(yīng)的磁顆粒);設(shè)計(jì)帶有腔室或通道的結(jié)構(gòu)，用于液壓或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。用于驅(qū)動(dòng)的活性水凝膠以涂層形式存在，大部分是基于刺激響應(yīng)性聚合物網(wǎng)絡(luò)。在刺激下，聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)象變化或交聯(lián)密度的改變會(huì)引起水凝膠的溶脹/消腫，從而產(chǎn)生膨脹或收縮來驅(qū)動(dòng)。雙層結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)造基于刺激響應(yīng)的水凝膠涂層驅(qū)動(dòng)器。兩層可由不同的刺激響應(yīng)水凝膠涂層制備，實(shí)現(xiàn)可逆和雙向驅(qū)動(dòng)。以雙層結(jié)構(gòu)為主要元素，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或圖案化活性水凝膠涂層可以實(shí)現(xiàn)從2D到3D的復(fù)雜構(gòu)型轉(zhuǎn)換。此外，溫度響應(yīng)性水凝膠涂層可以通過受溫度刺激的循環(huán)膨脹和消腫來驅(qū)動(dòng)微流體裝置中的流體運(yùn)動(dòng)。

防止船泊（海洋）生物污染：海洋環(huán)境的淹沒表面聚集了海洋污垢生物，如藻類、硅藻、藤本動(dòng)物等，稱為海洋生物污垢。水凝膠涂料的防污特性是由于其表面水化程度高。幾種功能性水凝膠涂料，如PVA和聚(2-丙烯酰胺2-甲基丙烯磺酸)/聚丙烯酰胺(PAMPS/PAAm)雙網(wǎng)韌性水凝膠。PEG和兩性離子水凝膠，在實(shí)驗(yàn)中被證明可以有效地抑制海洋生物的附著。例如圖2f，一艘聚丙烯酰胺水凝膠涂層的模型船漂浮在被油污污染的裝滿水的水箱中，顯示出抗油污的特性。

油水分離：隨著工業(yè)含油廢水的增加和溢油事故的頻繁發(fā)生，含油廢水污染正成為海洋和水生生態(tài)系統(tǒng)的世界性威脅。水凝膠是眾所周知的親水材料，其水成分可以超過95%的重量。水凝膠本身作為油水分離的基材，用水凝膠包覆商業(yè)過濾膜，結(jié)合了過濾膜高通量和水凝膠親水性的優(yōu)點(diǎn)。Gao等通過海藻酸鈉和Cu2+的層層自組裝，在聚丙烯酸接枝聚偏氟乙烯(PAA-g-PVDF)過濾膜表面涂覆了一層薄薄的海藻酸水凝膠膜。該水凝膠包覆PAA-g-PVDF過濾膜的水通量可達(dá)1230L/m2h-1bar-1，分離效率可達(dá)99.8%以上，且具有出色的循環(huán)性能。薛等人沒有在過濾膜表面涂覆水凝膠，而是用粗糙的納米結(jié)構(gòu)水凝膠涂覆了網(wǎng)孔尺寸為34~380μm的微尺度多孔金屬基底。這種水凝膠涂層網(wǎng)顯示出選擇性和有效(>99%)分離水的各種油/水混合物，包括植物油，甚至原油。

圖3：水凝膠涂層的方法。

(a)橋面法。(b)和(c)表面起爆法。(d) 水凝膠涂布法。

水凝膠涂層的方法：一種理想的水凝膠涂層方法應(yīng)達(dá)到兩個(gè)目標(biāo):對(duì)基材的強(qiáng)附著力和與任意形狀的基材相匹配。強(qiáng)附著力要求水凝膠涂層與基材的界面有很強(qiáng)的相互作用，如共價(jià)鍵合，以及水凝膠涂層本身有很強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度。強(qiáng)大的附著力防止了水凝膠涂層由于循環(huán)膨脹或?qū)χ車h(huán)境的反復(fù)滑動(dòng)而分層或斷裂，而涂層任意形狀的基材的方法是重要的。

1、橋面法：表面橋接強(qiáng)粘接法符合以下原則:橋分子的兩端分別與水凝膠和基體形成強(qiáng)相互作用，在基體-涂層界面處形成強(qiáng)鍵合。水凝膠涂層常用的橋分子是硅烷或硅烷偶聯(lián)劑，如圖3a所示，使用的橋分子是(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)和3-(三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯(TMSPMA)，分子的兩端分別與襯底和水凝膠涂層形成共價(jià)鍵，使水凝膠涂層與襯底牢固結(jié)合。Yuk等人首次使用這種方法將堅(jiān)韌的水凝膠粘接到無孔表面，如金屬、玻璃、硅和陶瓷，使粘附力達(dá)到1000 J/m2以上。只要底物表面富含羥基，該方法就是有效的。無機(jī)固體，如玻璃、金屬和陶瓷，暴露在空氣中的清潔表面上自然有羥基。有機(jī)固體，如彈性體和塑料，可以通過氧等離子體和紫外臭氧等表面處理來獲得羥基。只要水凝膠前體不需要模具就可以嫁接到基板上，用表面橋接法就可以很容易地將水凝膠涂覆在任意形狀的基板上。表面橋法在水凝膠涂層形成中的有效性取決于橋分子中的官能團(tuán)。例如，Li等人設(shè)計(jì)了一種一端含有羧酸基團(tuán)的橋式分子，通過脫質(zhì)子羧酸基團(tuán)與金屬離子的配位和靜電疏水作用，與金屬表面形成較強(qiáng)的鍵合，另一端帶有甲基丙烯酸基團(tuán)，通過共聚與水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成化學(xué)鍵合。通過在橋分子中引入一種可斷裂的二硫鍵，他們通過還原劑如谷胱甘肽的刺激，實(shí)現(xiàn)了水凝膠金屬界面的按需脫鍵。

2、表面起爆法：如圖3b，疏水二苯甲酮光引發(fā)劑通過擴(kuò)散或附加引物吸附在目標(biāo)襯底表面。隨后在處理的基材上固化水凝膠前體，使水凝膠涂層能夠牢固地粘結(jié)到基材上。彈性體表面上的弱附著聚合物鏈可以用水沖洗掉，在目標(biāo)基材上留下一個(gè)強(qiáng)結(jié)合的水凝膠涂層。這種方法可以在任意形狀、5 ~ 25μm可調(diào)厚度和抗長剪切力的聚合物上形成水凝膠涂層。二苯甲酮是一種疏水性光引發(fā)劑，在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑的幫助下，可以擴(kuò)散到聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、乳膠VHB(非常高鍵)和Ecoflex等聚合物的表面。吸收在彈性體中的二苯甲酮作為接枝劑，使水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)與彈性體的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，并作為氧清除劑，減輕氧抑制作用。當(dāng)二苯甲酮分子暴露在紫外線(UV)光下時(shí)，二苯甲酮分子從基材的聚合物網(wǎng)絡(luò)中提取一個(gè)氫原子并產(chǎn)生一個(gè)自由基，從而將水凝膠網(wǎng)絡(luò)接枝到彈性體的聚合物網(wǎng)絡(luò)上。親水引發(fā)劑在底物表面結(jié)合擴(kuò)散層內(nèi)和上面引發(fā)水凝膠單體聚合。同時(shí)，疏水引發(fā)劑在聚合物的擴(kuò)散層內(nèi)引發(fā)聚合，將水凝膠聚合物鏈接枝到基質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)上。除了疏水光引發(fā)劑(二苯甲酮)外，疏水熱引發(fā)劑(過氧化苯甲酰)也被用作該方法的另一個(gè)例子。如圖3c所示，Takahashi等進(jìn)一步發(fā)展了表面引發(fā)法，實(shí)現(xiàn)了通過擴(kuò)散無法直接吸附二苯甲酮的基質(zhì)的水凝膠涂層。目標(biāo)基板涂上二苯甲酮和聚醋酸乙烯酯(PVAc)的底漆混合物。此底漆層與靶基板物理結(jié)合，附著力強(qiáng)。然后將一種糊狀的水凝膠前驅(qū)體應(yīng)用于處理過的表面，然后在無氧環(huán)境中進(jìn)行光引發(fā)聚合。粘著力達(dá)到1000 J/m2以上。涂層在常溫純水中浸泡282天，具有良好的耐磨性和穩(wěn)定性。表面引發(fā)法適用于在大多數(shù)基材上形成水凝膠涂層。對(duì)于聚合物，疏水引發(fā)劑可以在適當(dāng)?shù)娜軇?如乙醇、丙酮)的幫助下擴(kuò)散到其表面。對(duì)于其他基體，如金屬和陶瓷，可以在目標(biāo)表面應(yīng)用含有底漆的引發(fā)劑，如聚醋酸乙烯酯，引入引發(fā)劑。

3、水凝膠涂布法：如圖3d所示，一種糊狀水凝膠涂料應(yīng)用于預(yù)處理的基材上，使用常見的涂布操作，如刷涂和浸漬。水凝膠涂料的交聯(lián)作用和涂料與基材之間形成的強(qiáng)粘結(jié)作用在水凝膠涂料固化過程中完成。該水凝膠涂料是由水凝膠單體與偶聯(lián)劑共聚而成的溶液，表現(xiàn)為粘性液體或普通涂料。水凝膠涂料的氧不敏感性固化和與基材結(jié)合，例如通過硅烷縮合，確保水凝膠涂料在環(huán)境中成功形成。水凝膠涂料中的官能團(tuán)或偶聯(lián)劑決定了它們的應(yīng)用和有效性。例如，硅醇基團(tuán)可以與目標(biāo)底物上的羥基縮合形成強(qiáng)鍵，并相互縮合固化水凝膠涂料。硅烷縮合對(duì)氧不敏感。這樣，水凝膠涂料的粘接和固化不需要氧。水凝膠涂料的水凝膠涂料方法是最近才被介紹出來的，還有待于進(jìn)一步的探索和發(fā)展。

圖4：水凝膠的斷裂粘性長度

(a)水凝膠的斷裂粘性長度，由Г/W f估計(jì)，決定了存在缺陷時(shí)水凝膠從缺陷不敏感到缺陷敏感的過渡缺陷長度。 (b)一塊聚丙烯酰胺水凝膠的斷裂拉伸幾乎是恒定的，其原有的裂紋或裂紋長度小于斷裂內(nèi)聚長度(在這種情況下約為1cm)。反之，隨著缺陷尺寸的增大，裂紋擴(kuò)展系數(shù)減小。(c)左:剝離試驗(yàn)中，水凝膠涂層的附著力與涂層厚度的關(guān)系示意圖。右:不同涂層厚度的聚丙烯酰胺水凝膠涂層剝離試驗(yàn)附著力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在使用涂層的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮水凝膠涂料的凈化、水凝膠涂層的附著力、厚度依賴黏附。如圖4a和b，定義了一種材料特定的長度，稱為斷裂粘性長度。此長度為Г/W f的比值，其中Г為拉伸含裂紋試樣獲得的材料韌性，Wf為拉伸無裂紋試樣獲得的斷裂功。斷裂粘結(jié)長度與材料的缺陷敏感長度相當(dāng)。材料的極限強(qiáng)度，如極限拉伸，不受特征尺寸小于缺陷敏感長度的裂紋的影響。斷裂粘性長度可以與斷裂過程區(qū)大小相比較，斷裂過程區(qū)是在裂紋尖端附近的一個(gè)高度拉伸區(qū)。加載過程中耗散的能量和與裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)彈性能量的釋放都有助于提高水凝膠涂層的韌性和附著力。大規(guī)模無彈性剝皮:當(dāng)涂層厚度小于斷裂內(nèi)聚力長度時(shí)，斷裂過程區(qū)以涂層厚度為邊界。附著力隨著涂層厚度的增加而增加。圖4c，斷裂過程區(qū)域受到斷裂內(nèi)聚力長度的限制，與涂層厚度無關(guān)。鑒于粘合力與厚度的關(guān)系，在確定粘合力時(shí)，明確水凝膠涂層的厚度是很重要的。另一種常用的長度標(biāo)尺稱為粘彈性長度，定義為Г/E，其中E為楊氏模量。這個(gè)長度尺度定義了裂紋前沿非線性彈性區(qū)域的大小，在這里線性彈性斷裂力學(xué)(LEFM)不再有效。考慮到軟材料的高延展性，彈性粘接長度可以比斷裂粘接長度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5：水凝膠涂層附著力的試驗(yàn)方法

(a) 90°剝離測(cè)試。(b)簡單拉伸試驗(yàn)。(c)劃痕測(cè)試。一個(gè)剛性的筆尖劃過涂層的表面，伴隨著在涂層厚度方向的同步運(yùn)動(dòng)。(d)探針拉力試驗(yàn)。平頭壓頭與水凝膠涂層結(jié)合，然后抽離。 (e)雙懸臂梁試驗(yàn)(左)和等高線雙懸臂梁試驗(yàn)(右)。水凝膠涂層夾在兩根懸臂梁之間。兩根梁被拉開，導(dǎo)致水凝膠涂層斷裂。

水凝膠涂層的附著力測(cè)試。圖5a，過以90°附著在基板上的襯底將水凝膠涂層從基板上剝離。剝落的結(jié)果與許多因素有關(guān)，包括剝落的速度、使用的背膠層、背膠與水凝膠涂層的粘結(jié)方式、水凝膠涂層剝落的角度。剝離結(jié)果的解釋是基于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展中的工作平衡，其中裂紋以恒定的速度擴(kuò)展，而剝離力隨剝離距離不變。考慮到水凝膠涂層中儲(chǔ)存的恒定彈性能，而不考慮儲(chǔ)存在柔性、不可拉伸背襯中的彈性能，穩(wěn)態(tài)剝離力所作的功是水凝膠涂層附著力的直接反映。如圖5b，簡單拉伸試驗(yàn)使涂有水凝膠涂層的可拉伸基體通過單軸拉伸加載，導(dǎo)致涂層在臨界載荷下脫膠。這種方法對(duì)于測(cè)試可拉伸基體上的弱結(jié)合水凝膠涂層是有效的，這種能量釋放速率歸因于基體彈性能的釋放和所施加的力對(duì)勢(shì)能的改變。臨界拉力Pc作用下裂紋擴(kuò)展所對(duì)應(yīng)的能量釋放速率Gc給出了水凝膠涂層的附著力。如圖5c所示劃痕試驗(yàn)，在劃痕過程中記錄筆尖上的力，并確定涂層發(fā)生失效的臨界力。劃痕試驗(yàn)被認(rèn)為是半定量測(cè)定涂層附著力的方法，因?yàn)閺脑囼?yàn)中提取的臨界劃痕力受到許多與粘附無關(guān)的因素的影響，如劃痕速度、筆尖半徑和基體硬度等。為了將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與涂層的附著力聯(lián)系起來，劃痕試驗(yàn)具有易于使用和不需要特殊的標(biāo)本制備的優(yōu)點(diǎn)。獲得的臨界劃痕力可以有效地作為定量的、相對(duì)的數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)涂層之間的附著力。如圖5d探頭拉拔試驗(yàn)，在探針拉伸試驗(yàn)中，一個(gè)圓柱形、扁平或半球形端探針被粘在水凝膠涂層上。然后探針以恒定速度將涂層從基體上拉下來。記錄了拉拔力與拉拔距離的關(guān)系，主要表現(xiàn)為4個(gè)參數(shù):峰值應(yīng)力σmax、最大拉伸εmax、平臺(tái)應(yīng)力σp和脫膠功Wdeb。與剝離試驗(yàn)得到的附著力一樣，探針拉拔試驗(yàn)得到的四個(gè)參數(shù)是對(duì)不同水凝膠涂層在不同試驗(yàn)條件下的定量評(píng)價(jià)。如果在測(cè)試過程中探頭沿涂層界面發(fā)生剝離，則拉拔結(jié)果不能反映水凝膠涂層與目標(biāo)基體之間的結(jié)合。如圖5e雙懸臂梁試驗(yàn)，涂層粘結(jié)在兩根懸臂梁之間，然后將荷載垂直地施加到梁的一端。一旦測(cè)量了裂紋擴(kuò)展的臨界載荷，就可以得到涂層的能量釋放率。

小結(jié)

本綜述重點(diǎn)介紹了水凝膠功能涂料的研究進(jìn)展，水凝膠功能涂料的功能和應(yīng)用、水凝膠功能涂料的制備方法以及水凝膠功能涂料的測(cè)試方法。功能水凝膠的主要應(yīng)用是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。水凝膠涂層，用于改善預(yù)制材料或設(shè)備的生物相容性，將與活組織相互作用。此外，載藥和抗菌水凝膠涂層可以減少感染和活組織炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。功能性水凝膠涂層在非醫(yī)療領(lǐng)域也顯示出巨大的應(yīng)用潛力，如海洋船舶環(huán)境友好型防污涂層、軟器件的彩色涂層和可拉伸離子電子中的離子導(dǎo)體。功能性水凝膠涂料可望在各種應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。在實(shí)驗(yàn)室中，水凝膠涂層方法已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的附著力，但在轉(zhuǎn)化為大批量生產(chǎn)方面仍存在一些差距。對(duì)表面橋接和起爆方法的要求，如對(duì)目標(biāo)基材進(jìn)行強(qiáng)粘結(jié)處理和對(duì)水凝膠涂層進(jìn)行固化的高濕度無氧室，在研究中是可以接受的，但在許多應(yīng)用中，批量生產(chǎn)可能不經(jīng)濟(jì)。

功能性水凝膠涂層在惡劣環(huán)境如海水、體液、血液等生物條件下的長期穩(wěn)定附著力對(duì)其應(yīng)用具有重要意義。然而，這一領(lǐng)域的研究有限且分散。水凝膠涂層與基體之間的界面結(jié)合以及功能水凝膠涂層本身在長時(shí)間浸泡后都可能發(fā)生降解，導(dǎo)致涂層的分層或斷裂失效。因此，需要長期生存的水凝膠涂層的設(shè)計(jì)應(yīng)該仔細(xì)考慮。缺乏一種通用的測(cè)試方法來測(cè)量水凝膠涂層的附著力，特別是當(dāng)涂層非常薄的時(shí)候。開發(fā)適用于各種水凝膠并與剝離試驗(yàn)兼容的水凝膠膠粘劑是建立多功能水凝膠涂層附著力測(cè)試平臺(tái)的一個(gè)有前途的方向。