水凝胶作为涂层质料，能够实现古板的基底质料外貌的功效化(例如超亲水性、润滑性、生物相容性和载药功效等)
。水凝胶种类和功效的多样性使得这种功效化在如载药释药、医疗器械、人造皮肤、软机械人、离子导体传感器和海洋防污等领域的诸多应用备受期待
。然而，古板水凝胶合成中，聚合、交联和外貌粘接这三个历程同时爆发难以疏散，从而引入了合成毒性大、易爆发情形污染和反应条件苛刻等倒运因素，限制了水凝胶涂层的应用远景
。

克日，哈佛大学锁志刚教授课题组提出了聚合、交联和外貌粘接历程疏散的新型凝胶涂层合成范式
。通过引入可控偶联剂实现与通俗油漆的生产和使用模式类似（即：将聚合反应归入化工生产环节，将交联与外貌粘接归入使用环节）的“水凝胶漆”
。在该事情中引入硅烷偶联剂作为本战略的一个详细实验规范，制备了水凝胶漆
。此水凝胶漆能在袒露于室温空气的条件下，在多种基底质料外貌(如弹性体、塑料、玻璃、陶瓷或金属等)，通过多种涂层制备方法(如刷涂、铸模、浸涂、旋涂或喷涂等)制得水凝胶涂层
。通过在医用导丝、硅橡胶和金属船模子外貌制备的水凝胶涂层和差别的功效演示，展示出水凝胶漆强盛的适用性
。该事情有望推动水凝胶涂层的工业化和日�；�应用
。

图1 水凝胶漆的合成（a）、基底的准备（b）、水凝胶漆的使用（c）以及形成水凝胶涂层的化学历程（d）

水凝胶漆的整个应用历程可以分为四步（图1）
。首先，通过将可控偶联剂与聚合物的单体共聚获得共聚物（图1a）
。由于可控偶联剂在合成中不爆发偶联，因此共聚物在水中呈溶液状态，其溶液黏度能够通过多种合成参数的调理实现调控
。其次，作为基底的固体外貌需要具有能够与可控偶联剂复合的响应化学基团（图1b）
。例如，基于硅烷偶联剂的水凝胶漆可以通过硅氧烷基团的脱水缩合与外貌富含羟基的金属、玻璃、陶瓷等固体爆发化学粘接
�；蛘咄ü�氧气等离子体或紫外-臭氧处置惩罚等方法使塑料、橡胶等质料外貌羟基化，从而实现化学粘接
。再次，水凝胶漆的工人凭证差别的现实需要，通过多种的方法将水凝胶漆涂敷于基底外貌（图1c）
�？煽嘏剂�剂自力于自由基聚合反应，可以在有氧气和室温的条件下举行，因此能够自若地顺应差别的涂敷方法
。涂敷在固体外貌的水凝胶漆通过偶联反应一方面实现聚合物链的交联，天生水凝胶；另一方面与固体外貌天生化学粘接，实现水凝胶涂层与外貌的化学粘附，包管了涂层的机械稳固性（图1d）
。

图2 未固化水凝胶漆的流变性能（a和b）与固化后水凝胶漆的粘接性能（c和d）

水凝胶漆的应用和性能受到许多因素的影响
。研究职员针对其中的两种举行了详细的研究，划分是链转移剂和硅烷偶联剂
。在水凝胶漆固化前，仍然处于液态的水凝胶漆的流变性能决议了水凝胶漆适用于哪种工艺
。例如，粘稠的漆适用于粉刷而较稀的漆则适用于喷涂
。实验效果批注，随着链转移剂用量的增添，未固化的水凝胶漆的粘度逐渐下降（图2a）
。这是由于链转移剂的作用是使得聚合物链的长度变短，而越短的聚合物链，相互之间的纠缠水平越低，从而粘度越低
。随着硅烷偶联剂用量的增添，未固化的水凝胶漆的粘度逐渐升高 （图2b）
。这是由于硅烷偶联剂水解后爆发羟基，增添分子间氢键的作用，从而使得粘度升高
。 在水凝胶漆固化后，界面粘接强度和固化后水凝胶网络的强度，决议了水凝胶漆的强度
。研究职员通过剥离实验测试粘接强度
。在剥离历程中，裂纹沿着固化后的水凝胶漆的内部扩展，说明界面的粘接强度比水凝胶自己的强度高，实验测得的粘接强度由水凝胶的强度决议
。实验效果外貌，粘接强度随着硅烷偶联剂的增添而降低（c），这是由于增添硅烷偶联剂的效果等效于增添网络的交联密度
。粘接强度随着链转移剂的增添而降低（d），这是由于增添链转移剂使得聚合物链变短，网络的完整性降低
。

图3. a.医用镍钛导丝浸涂水凝胶漆的示意图和实物图
。b.扫描电镜图显示涂层前导丝外貌粗糙
。c.扫描电镜图显示水凝胶涂层导丝外貌平滑
。d.浸涂速率越快，水凝胶涂层越厚
。e, f.水凝胶涂层厚度随着溶胀时间先增添后趋于稳固
。g.导丝摩擦实验示意图
。h, j.水凝胶涂层能显著降低导丝的摩擦力
。且改润滑性能在多大50个摩擦循环中坚持稳固
。

水凝胶由于其优异的生物相容性，抗生物粘附性，以及低摩擦等特点，在医疗器械涂层方面具有较高的应用价值
。例如，医用镍钛合金导丝由于在手术中重复在血管内穿梭，因此必需同时包管与血管内壁间摩擦阻力小以及足够的生物相容性
。通过本事情中的水凝胶漆在医用导丝外貌制备水凝胶涂层有望实现上述功效
。他们将水凝胶漆（聚丙烯酰胺，PAAm）浸涂在镍钛导丝外貌（图3a）
。通过SEM视察发明，制得的水凝胶涂层使原本粗糙的导丝外貌变得平滑（图3b，3c）
。水凝胶涂层的厚度可以通过改变浸涂速率实现可控调理（2-20 μm）（图3d）
。水凝胶涂层在水情形中的稳固性是人们普遍关注的一个问题
。他们通过实验发明，水凝胶漆制备的水凝胶涂层能够在一秒内抵达溶胀平衡（平衡时厚度约为10 μm），这与溶剂扩散理论推测的理论时间（～0.1 s）相一致（图3f）
。现在行业关于医用导丝摩擦阻力尚缺乏统一的评价系统，因此他们凭证导丝现实应用场景设计了简朴摩擦实验装置（图3g）
。实验效果批注水凝胶涂层显著降低了导丝的摩擦力（图3h）
。更主要的是，这种低摩擦状态能够至少在50个循环的重复摩掠历程中坚持稳固（图3i）
。

图4：a.他们接纳注模的方法，在硅橡胶外貌形成图案化温敏水凝胶涂层
。该涂层在差别水温刺激下，其透明性爆发可逆转变
。b.他们接纳旋涂的方法，在硅橡胶外貌制备了酸碱响应型水凝胶涂层
。水凝胶涂层在差别酸碱度下爆发缩短或溶胀，从而实现驱动
。c.他们接纳刷涂的方法在模子船体的铝外貌形成中性水凝胶涂层
。水凝胶涂层能够有用地对抗水面油污对船体的污染
。

水凝胶漆可以实现差别种类的水凝胶涂层（如温度与酸碱响应型水凝胶涂层），作用于差别的基底（如弹性体，金属，玻璃，塑料），并适用于差别的涂层工艺（如旋涂，浸涂，刷涂，注模等）
�？翁庾橥ü�一系列实验演示水凝胶漆普遍的适用性
。他们接纳注模的方法，在硅橡胶外貌制备了温敏水凝胶（聚异丙基丙烯酰胺，PNIPAm）图案化涂层
。在差别的温度刺激下，水凝胶涂层爆发可逆相变，导致透明性爆发可逆的转变
。他们通过选用丙烯酸（Acrylic acid）水凝胶单体制备了pH响应型水凝胶漆，并接纳了旋涂的方法，在硅橡胶外貌制备了酸碱响应型水凝胶涂层
。该涂层通过稳固的界面化学粘接实现了凝胶-橡胶双层结构
。这一双层结构在水凝胶涂层在差别pH条件下爆发缩短或溶胀的发动下实现驱动
。最后，研究职员接纳刷涂的方法在铝材质模子船体的外貌制备了PAAm水凝胶涂层
。实验演示批注水凝胶涂层能够有用地对抗水面的油污（染红色）对船体的污染
。

这一研究事情最近揭晓在国际顶级期刊Advanced Materials上
。论文的三个配合第一作者包括：姚晰博士，在哈佛大学工学院做博士后时代完成相关研究事情，现为河南大学特种功效质料实验室特聘教授；刘俊杰，浙江大学博士研究生，现在以国家公派团结作育研究生在哈佛大学工学院交流学习；杨灿辉博士，在哈佛大学工学院做博士后时代完成相关研究事情，现为南方科技大学力学与航空航天工程系助理教授
。配相助者还包括：杨栩旭，浙江大学博士研究生，现在以国家公派团结作育研究生在哈佛大学工学院交流学习；魏继昌，苏州茵络医疗器械有限公司研发总监；夏崟博士，苏州凝智新质料有限公司总裁；龚霄雁博士，苏州茵络医疗器械有限公司董事长
。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授为通讯作者
。

论文信息与链接：

Xi Yao, Junjie Liu, Can Hui Yang, Xuxu yang, Jichang Wei, Yin Xia, Xiaoyan Gong, Zhigang Suo, Hydrogel Paint, Advanced Materials, 2019, https://doi.org/10.1002/adma.201903062.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903062