2018 年 12 月 12日 星期三
現在位置:首頁 > 新聞動態 > 科研進展
爲材料貼“面膜”
日期:2018-11-15 | | 【

  我們先來看三幅圖。 

1 a)人体关节系统剖面圖;(b) 水凝膠面膜照片;(c) 類血管網絡水凝膠結構化材料照片   

  最左边,是我们人体关节系统剖面圖;中间,是一张水凝胶面膜;最右边,是一张類血管網絡水凝膠結構化材料照片。    

  你可能會納悶了,爲什麽要把這三樣看起來八竿子打不著的東西放在一起呢?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制造出類似于血管複雜結構的模型體,用于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在材料表面修飾水凝膠的技術。    

  最近,中科院蘭州化物所周峰研究團隊的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,可以很好地在多種材料表面可控地生長水凝膠,給材料表面蒙上一層“面膜”。    

  而这一方法来自科研人员前期实验中的敏锐发现。研究人员发现将铁丝浸没到单体预聚液中后,其表面会包覆一层水凝胶膜。这是因为铁丝表面的二价铁和预聚液中的过硫酸根离子发生氧化还原反应,降低了自由基聚合过程中链引发的活化能,使得铁丝表面能够在室温下原位地生成水凝胶润滑膜(圖2)。 

2 表面催化引發自由基聚合技術(surface catalytically initiated radical polymerization- SCIRP)用于材料表面修饰水凝胶涂层示意圖和链引发步活化能分布曲线圖。    

  基于实验结果,研究人员发展了一种通用的在材料表面修饰水凝胶的技术。他们通过不同的成袌D际踅铁催化剂复合到了不同的基体材料中(包括聚氨酯、环氧树脂、聚四氟乙烯、PDMSPTFE、偏氟乙烯、UHMWPEPEEK、陶瓷、金屬間化合物等),制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含有多種單體的預聚液中,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濕和潤滑特性。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,研究人員還成功制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。于是,他們拓展了凝膠管的化學組分,成功制備得到了89种不同化学组分的水凝胶管材料。通过使用多根铁丝作为生长模板,可制备得到具有复杂结构的三维水凝胶管材料(圖3)。 

3 鐵表面引發聚合策略用于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制得中空水凝膠管材料,與傳統的模板澆築法和3D打印挤出成袌D际跸啾染哂忻飨圆煌。研究人员将制得的中空水凝胶管作为人工血管组织模型体与内皮细胞(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,該研究在線發表在 Chemistry of Materials 上(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532)。    

  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方法稱之爲“單體溶液浴法”。通過“單體溶液浴”爲材料貼上一層“面膜”展示了廣闊的應用前景。基于SCIRP聚合方法,研究人員正在發展一系列功能性材料,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。周峰研究員相SCIRP技術的出現將推動材料學科多個領域的發展。