【材料】苏州大学严锋教授JACS：具有生物相容性的可逆粘附离子凝胶- 大数跨境

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2024-05-29

导读：苏州大学严锋教授、李维政博士后和南京大学王晓亮教授在JACS 上发文，将生物相容性的柠檬酸/L-(-)-肉碱（CAC）基离子液体作为溶剂来制备高强度、高粘附强度的离子凝胶，用于可逆的工程和生物粘合剂，

由于缺乏能量耗散机制，离子凝胶强度低，变形能力差，对裂纹扩展敏感，严重影响了其寿命和使用范围。目前，通过配位超分子溶剂、原位相分离或超分子溶剂与应力诱导结晶的协同作用等策略制备高强度离子凝胶的研究取得了很大进展。然而，由于聚合物网络和溶剂之间强烈的分子间相互作用，高强度离子凝胶具有较高的分子内聚能，从而导致与底物的界面粘附较弱。因此，实现高强度和高粘附强度的离子凝胶仍然是一个巨大的挑战。此外，离子凝胶的再利用和回收是必要的，具有高粘附强度的可逆粘合剂具有很大的实际应用前景。

大多数离子凝胶生物相容性差，这限制了离子凝胶在生物医学工程中的应用（组织伤口的粘附、器官的无损转移和组织密封）。为了提高离子凝胶在生物组织中的适用性，探索和开发有效、安全的离子液体来制备离子凝胶至关重要。

近期，苏州大学严锋教授、李维政博士后和南京大学王晓亮教授在JACS 上发文，将生物相容性的柠檬酸/L-(-)-肉碱（CAC）基离子液体作为溶剂来制备高强度、高粘附强度的离子凝胶，用于可逆的工程和生物粘合剂，克服了界面能和内聚能之间的矛盾。所制备的离子凝胶具有良好的力学性能，包括抗拉强度 (14.4 MPa)、杨氏模量 (48.1 MPa) 和韧性 (115.2 MJ m^-3)，与玻璃基底的粘附强度高达24.4 MPa。此外，离子凝胶可在湿生物组织界面形成机械匹配的坚韧粘附(界面韧性约为191 J m^-2)，且可根据需要用盐水溶液分离，从而扩展了其在各种临床场景中的潜在应用，如伤口粘附和器官的无损转移。

离子凝胶的结构设计及超分子相互作用机理

低场固体核磁共振谱被用来解释聚合物的原位片段动力学。通过低场核磁表征手段得到离子凝胶的自由感应衰变信号，然后通过相应的函数拟合得到各组分的弛豫时间和相对分数，证实了PDMAA与CAC良好的相互作用。有效调节内聚能和界面能的平衡是实现强附着力的必要条件。利用分子动力学模拟计算了离子凝胶与离子凝胶/底物的相互作用能，说明离子凝胶内聚能和界面能得到了有效平衡，进一步解释了离子凝胶具有良好粘附性能的机理。

离子凝胶的超分子相互作用和粘附机制

超分子溶剂可以通过氢键和静电相互作用与聚合物链形成强相互作用。溶剂的含量越高，网络中聚合物链之间的距离越长，聚合物链的缠结越少，离子凝胶的可拉伸性越高。通过调节CAC的含量可调节离子凝胶的力学性能。离子凝胶的极限断裂应力(14.4 MPa)、极限断裂应变(4900%)、韧性(115 MJ m⁻³)和杨氏模量(48 MPa)超过了报道的韧性水凝胶/离子凝胶、双网络水凝胶/离子凝胶、相分离水凝胶/离子凝胶、复合离子凝胶，和超分子离子凝胶。

离子凝胶的力学性能

由于富含丰富的羧基和羟基，离子凝胶可以与富含硅羟基的玻璃基板形成强相互作用。离子凝胶的粘附强度达到24.4 MPa，粘附面积仅为4 cm²的玻璃片能够提起50 kg的水桶或约52 kg的成年人。在室温下，离子凝胶对玻璃、木材、PMMA、Fe和不锈钢的平均粘附强度分别为24.4、13.1、7.3、4.3和3.3 MPa(粘附24 h，粘附面积为0.15 cm²)。

离子凝胶的粘附性能

剥离试验结果表明，离子凝胶粘合剂与皮肤组织具有很强的粘附性(约191.1 J m⁻²)。离子凝胶的这一特性使其在临床应用中具有很高的优势，包括组织伤口粘附和器官的非破坏性转移。对于潮湿的组织表面，离子凝胶粘合剂能够迅速吸附界面水，与生物组织表面的活性基团形成物理交联。在吸水过程中，水破坏了离子凝胶中的部分氢键，使其膨胀，同时形成机械相容模量和适用的粘附强度，以粘附和保护组织界面。由于羟基和羧基的水合作用，足量的水溶液可以完全破坏粘附界面的动态物理交联，因此可以用生理盐水实现按需良性分离(使用生理盐水溶液模拟手术条件)。