發(fā)展通用的表面修飾技術(shù)是實現(xiàn)材料功能化的有效途徑之一。目前已有的表面修飾策略所用的表面修飾物主要以鏈狀聚合物、大分子以及小分子化合物為主，尚無技術(shù)能夠在材料表面可控修飾機(jī)械耐受性更好的水凝膠涂層，從而實現(xiàn)界面動態(tài)減摩抗磨。

    近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所周峰研究員團(tuán)隊發(fā)展出表面催化引發(fā)自由基聚合技術(shù)（surface catalytically initiated radical polymerization, 簡稱SCIRP，圖1），成功實現(xiàn)界面動態(tài)減摩抗磨。

    受摩擦學(xué)中“原位摩擦聚合理念”啟發(fā)，研究人員在前期研究中發(fā)現(xiàn)將鐵絲浸沒到水凝膠預(yù)聚液中后，室溫下鐵絲表面會聚合形成一層具有低摩擦系數(shù)的透明水凝膠膜。當(dāng)水凝膠膜被破壞之后，鐵絲表面會重新生成新的凝膠潤滑膜。以氮化硅為對偶、水凝膠預(yù)聚液為潤滑介質(zhì)、不銹鋼板材作為基體材料的長磨測試過程中，研究人員觀察到了原位的減摩和抗磨現(xiàn)象。這種現(xiàn)象背后的科學(xué)機(jī)制為：磨損區(qū)域暴露出的二價鐵和預(yù)聚液中的過硫酸根離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，降低了自由基聚合過程中鏈引發(fā)（決速）步的活化能，使得磨損區(qū)域在室溫下能夠原位地生成水凝膠潤滑膜。

    基于以上實驗結(jié)果，研究人員發(fā)展了一種通用的水凝膠表面修飾技術(shù)。隨后，通過不同的成型技術(shù)將鐵催化劑復(fù)合到了不同的基體材料中（包括聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、PDMS、PTFE、偏氟乙烯、UHMWPE、PEEK、陶瓷、金屬間化合物等），制備得到了含鐵催化劑的一系列復(fù)合材料。

    實驗結(jié)果表明，在室溫下將復(fù)合材料浸入到水凝膠預(yù)聚液中，經(jīng)過很短的反應(yīng)時間復(fù)合材料表面即可通過原位聚合包覆一層均勻的水凝膠膜，進(jìn)而快速地改變了材料表面的潤濕和潤滑特性。其間，水凝膠膜厚度及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可通過聚合反應(yīng)動力學(xué)精準(zhǔn)控制。研究人員將這一新方法命名為SCIRP。實現(xiàn)過程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)SCIRP具有多次連續(xù)引發(fā)聚合特征，即在無需去除原有材料表面第一層水凝膠涂層的前提下，第二種或第三種凝膠單體可在材料表面發(fā)生連續(xù)聚合，形成多網(wǎng)絡(luò)或者梯度結(jié)構(gòu)水凝膠涂層。最近該成果在線發(fā)表在Advanced Materials 上。

圖1表面催化引發(fā)自由基聚合技術(shù)（surface catalytically initiated radical polymerization- SCIRP）

    用于在材料表面修飾水凝膠涂層示意圖和決速步活化能分布曲線圖隨后，基于水凝膠材料成型較難的現(xiàn)實和復(fù)雜結(jié)構(gòu)水凝膠管簡易制備的技術(shù)需要，研究人員又通過化學(xué)聚合成功制得復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維水凝膠管材料。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)以鐵絲或棒狀含鐵復(fù)合材料作為生長模板時，移除模板后可獲得中空水凝膠管。利用此方法，研究人員拓展了凝膠管的化學(xué)組分，成功制備得到了8至9種不同化學(xué)組分的水凝膠管材料。通過使用多根鐵絲作為生長模板，可制備得到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維水凝膠管材料（圖2）。

    該項工作是材料學(xué)界第一次從化學(xué)聚合角度成功制得中空水凝膠管材料，單體普適性較強(qiáng)，與傳統(tǒng)的模板澆筑法和3D打印擠出成型技術(shù)相比具有明顯區(qū)別。研究人員將制得的中空水凝膠管作為人工血管組織模型體與內(nèi)皮細(xì)胞（PAEC）進(jìn)行共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)12天之后，凝膠管內(nèi)壁形成了連續(xù)的內(nèi)皮層，并出現(xiàn)了α-平滑肌肌動蛋白 （α-smooth muscle actin,α-SMA） 的特異性表達(dá)，表明制得的凝膠管具有用作人工血管模型的潛力。最近，該研究在線發(fā)表在Chemistry of Materials 上（DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532）。

    圖2鐵表面引發(fā)聚合策略用于構(gòu)筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度水凝膠管材料基于SCIRP方法，研究人員已經(jīng)發(fā)展了一系列功能性材料，包括層狀人工血管模型材料、水下軟驅(qū)動材料、智能微流控材料、生物潤滑材料、親水減阻材料以及乳液分離材料等。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金和科技部重點研發(fā)計劃等基金項目的支持。

    全文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.201803371

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