我們先來看三幅圖。

　　圖1 （a）人體關節系統剖面圖；(b) 水凝膠面膜照片；(c) 類血管網絡水凝膠結構化材料照片

　　最左邊，是我們人體關節系統剖面圖；中間，是一張水凝膠面膜；最右邊，是一張類血管網絡水凝膠結構化材料照片。

　　你可能會納悶了，爲什麼要把這三樣看起來八竿子打不着的東西放在一起呢？嗯，其實他們都與一樣事物非常相關，那就是凝膠。

　　比如我們關節系統，骨頭表面的這層關節軟骨很容易被破壞，關節系統潤滑失效了，引發一系列病變。這時候，就需要人工關節材料進行置換，如果在人工關節材料表面生長出類軟骨潤滑膜，這樣就能減輕很多患者的煩惱。

　　比如面膜，這種水凝膠面膜是可以爲個人量身訂造的，無需複雜的模板技術，便在模具上原位生長出與自己面部輪廓完全匹配的面膜。

　　比如血管網絡，科學家們正在考慮如何利用凝膠來製造出類似於血管複雜結構的模型體，用於生物醫學中血管前期病理的研究診斷。

　　這些都是凝膠的廣泛用途，而如何去構築上述這些材料體系呢？這時候我們需要考慮發展一種通用的水凝膠表面修飾技術。

　　最近，中科院蘭州化物所科研人員就發明了一種名爲“表面催化引發自由基聚合技術（SCIRP）”的方法，可以很好地在多種基底表面生長水凝膠材料，實現界面動態減摩抗磨。

　　圖2 表面催化引發自由基聚合技術（surface catalytically initiated radical polymerization- SCIRP）用於材料表面修飾水凝膠塗層示意圖和決速步活化能分佈曲線圖。

　　受摩擦學中“原位摩擦聚合理念”啓發，研究人員在前期研究中發現將鐵絲浸沒到水凝膠預聚液中後，室溫下鐵絲表面會聚合形成一層具有低摩擦係數的透明水凝膠膜。當水凝膠膜被破壞之後，鐵絲表面會重新生成新的凝膠潤滑膜。

　　這是因爲，磨損區域暴露出的二價鐵和預聚液中的過硫酸根離子發生氧化還原反應，降低了自由基聚合過程中鏈引發（決速）步的活化能，使得磨損區域在室溫下能夠原位地生成水凝膠潤滑膜。

　　基於實驗結果，研究人員發展了一種通用的水凝膠表面修飾技術。他們通過不同的成型技術將鐵催化劑複合到了不同的基體材料中（包括聚氨酯、環氧樹脂、聚四氟乙烯、PDMS、PTFE、偏氟乙烯、UHMWPE、PEEK、陶瓷、金屬間化合物等），製備得到了含鐵催化劑的一系列複合材料。

　　實驗結果表明，在室溫下將複合材料浸入到水凝膠預聚液中，經過很短的反應時間複合材料表面即可通過原位聚合包覆一層均勻的水凝膠膜，進而快速地改變了材料表面的潤溼和潤滑特性。這就是我們上文提到的 SCIRP 技術。最近該成果在線發表在 Advanced Materials 上。

　　利用 SCIRP 技術，研究人員還成功製得了複雜結構三維水凝膠管材料。他們發現，當以鐵絲或棒狀含鐵複合材料作爲生長模板時，移除模板後可獲得中空水凝膠管。於是，他們拓展了凝膠管的化學組分，成功製備得到了8至9種不同化學組分的水凝膠管材料。通過使用多根鐵絲作爲生長模板，可製備得到具有複雜結構的三維水凝膠管材料（圖3）。

　　圖3 鐵表面引發聚合策略用於構築複雜結構高強度水凝膠管材料

　　該項工作是材料學界第一次從化學聚合角度成功製得中空水凝膠管材料，與傳統的模板澆築法和3D打印擠出成型技術相比具有明顯不同。研究人員將製得的中空水凝膠管作爲人工血管組織模型體與內皮細胞（PAEC）進行共培養，發現在培養12天之後，凝膠管內壁形成了連續的內皮層，並出現了α-平滑肌肌動蛋白的特異性表達，這表明製得的凝膠管具有用作人工血管模型的潛力。

　　最近，該研究在線發表在 Chemistry of Materials 上（DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532）。

　　目前，研究人員已經發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，相信SCIRP技術的出現將推動材料學科多個領域的發展。

　　以上工作的第一作者爲蘭州化物所麻拴紅博士，他開玩笑地將 SCIRP 方法稱之位“凝膠浴法”。但同時麻博士也溫馨提示大家，具有催化性的金屬材料應該避免與反應活性較高單體進行接觸，以免給材料帶來破壞。

　　來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

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