随着高分子材料的不断发展，聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等聚合物树脂在导尿管、内窥镜、心脏起搏器外壳等医疗器材中得到广泛应用。但是，这些聚合物材料弹性模量（1 MPa ~1 GPa）与人体软组织弹性模量（1~100 kPa）存在显著差异，生物相容性并不算好，容易在使用过程中造成软组织创伤，诱发血栓、细菌感染等。如果能在聚合物材料表面形成光滑亲水的“水嫩皮肤”，除了能提升医疗器材的品质和生物相容性，还有希望应用于微流控设备、防污涂层和水下机器人等多种领域。目前针对聚合物材料的表面亲水改性，多集中于表面接枝亲水聚合物刷以及水凝胶涂层。表面接枝的聚合物刷多只有纳米尺度厚度，远不能满足器件表面机械性能的要求且易损坏；而水凝胶涂层仅仅适用于相对简单的结构，不适用于具有复杂几何形状和特征的表面。
近日，美国麻省理工学院（MIT）赵选贺教授研究团队发展了一种简单但普适的新方法，通过在聚合物表面渗透亲水性聚合物形成水凝胶层，可为任意形状的多种聚合物表面引入水凝胶“皮肤”。该水凝胶“皮肤”厚度均匀且可在5~25 µm范围内调控，具有与人体软组织近似的弹性模量（≈ 30 kPa），还可承受长时间的剪切力而没有明显的损坏。这种水凝胶“皮肤”还具有低摩擦、抗污染和离子电导性，而且不会影响聚合物基材的原始机械性能及形状。相关论文近期发表于Advanced Materials 杂志。
聚合物材料表面水凝胶“皮肤”生长示意图。图片来源：Adv. Mater.
研究团队首先用乙醇、丙酮等有机溶剂配置疏水性引发剂溶液，然后以之处理聚合物基材（上图i）的表面。由于聚合物大部分都是疏水的，它们会在溶液处理时溶胀并吸收疏水性引发剂，形成疏水性引发剂扩散层（上图ii）。然后将基材浸入含有亲水性引发剂体系的水凝胶预凝胶液中，再经过光/热引发聚合形成水凝胶（上图iii）。该过程中聚合物基材中的疏水性引发剂可作为接枝剂使得水凝胶聚合物与基材的聚合物链发生交联，同时，预凝胶液中的亲水性引发剂使基材疏水性引发剂扩散层之中以及之外的水凝胶单体聚合形成水凝胶聚合物。最后，水洗除去没有交联的水凝胶聚合物（上图iv），就可得到在聚合物基材表面原位生成的具有互穿网络的水凝胶“皮肤”（上图v）。可用的水凝胶单体也很多，例如丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AA）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）、N-乙烯基吡咯烷酮（VP）和甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）。
不同形状不同大小器件表面水凝胶“皮肤”的构筑。图片来源：Adv. Mater.
该水凝胶“皮肤”与器件具有良好的共形性，不会影响器件原始几何形状。同时，该表面改性技术在宏观复杂形状的硅橡胶等器件以及微观的微米级微流体芯片等器件表面都展现出优异的适用性。此外，通过借助添加微量链转移剂可以简便实现水凝胶“皮肤”厚度及表面粗糙度的精确调控。
水凝胶“皮肤”的机械性能。图片来源：Adv. Mater.
AFM纳米压痕技术测试显示PDMS硅橡胶表面水凝胶“皮肤”具有与人体软组织近似的弹性模量（E = 27.4 ± 7.44 kPa），相较于原始PDMS表面低2个数量级；而橡胶器件整体的力学性能（拉伸模量）并未发生降低。同时，水凝胶“皮肤”表面相较于原始器件表面和聚合物接枝改性器件表面呈现更低的摩擦系数和长期耐磨损性能，且在不同压力、长期使用条件下水凝胶“皮肤”表面摩擦系数几无变化。
水凝胶“皮肤”抗污及离子导电性。图片来源：Adv. Mater.
大肠杆菌（Escherichia coli ）抗菌实验则表明该水凝胶“皮肤”表面具有优异的抗菌性能，能够有效防止器件表面的生物污染。此外，进一步在水凝胶体系中引入导电离子，能够实现可拉伸导电水凝胶“皮肤”的构筑，离子电导率达1 S m-1 (3 M LiCl)。
商业化医疗器件表面构筑水凝胶“皮肤”。图片来源：Adv. Mater.
为了证明这种策略的实用性，研究者在多种商业化聚合物基医疗器材表面制备了水凝胶“皮肤”，包括不同透明度、不同构造、不同材质的聚氨酯心脏起搏器导线、PVC医用导管、硅胶导尿管。此外在软体机器人领域，该水凝胶“皮肤”可显著降低微型软体机器人在微管中的行驶速度波动。
水凝胶“皮肤”在软体机器人领域的应用。图片来源：Adv. Mater.
总结
赵选贺教授研究团队提出了一种简便策略，可以在多种材质的聚合物基材表面原位生成具有互穿网络的水凝胶“皮肤”，适用于宏观/微观不同复杂形状的聚合物基材表面的功能改性。该突破性研究成果将极大的推动水凝胶等软物质材料在医疗器材、可穿戴器件以及软体机器人等领域的应用。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Multifunctional “Hydrogel Skins” on Diverse Polymers with Arbitrary Shapes
Yan Yu, Hyunwoo Yuk, German A. Parada, You Wu, Xinyue Liu, Christoph S. Nabzdyk, Kamal Youcef-Toumi, Jianfeng Zang, Xuanhe Zhao
Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201807101
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