2018 年 12 月 12日 星期三
365bet台湾官网
现在位置:首页 > 新闻动态 > 科研进展
为材料贴“面膜”
日期:2018-11-15 | | 【

  我们先来看三幅图。 

1 a)人体关节系统剖面图;(b) 水凝胶面膜照片;(c) 类血管网络水凝胶结构化材料照片   

  最左边,是我们人体关节系统剖面图;中间,是一张水凝胶面膜;最右边,是一张类血管网络水凝胶结构化材料照片。    

  你可能会纳闷了,为什么要把这三样看起来八竿子打不着的东西放在一起呢?嗯,其实他们都与一样事物非常相关,那就是凝胶。    

  比如我们关节系统,骨头表面的这层关节软骨很容易被破坏,关节系统润滑失效了,引发一系列病变。这时候,就需要人工关节材料进行置换,如果在人工关节材料表面生长出类软骨润滑膜,这样就能减轻很多患者的烦恼。    

  比如面膜,这种水凝胶面膜是可以为个人量身订造的,无需复杂的模板技术,便在模具上原位生长出与自己面部轮廓完全匹配的面膜。    

  比如血管网络,科学家们正在考虑如何利用凝胶来制造出类似于血管复杂结构的模型体,用于生物医学中血管前期病理的研究诊断。    

  这些都是凝胶的广泛用途,而如何去构筑上述这些材料体系呢?这时候我们需要考虑发展一种通用的在材料表面修饰水凝胶的技术。    

  最近,中科院兰州化物所周峰研究团队的科研人员就发明了一种名为“表面催化引发自由基聚合技术(SCIRP)”的方法,可以很好地在多种材料表面可控地生长水凝胶,给材料表面蒙上一层“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(图2)。 

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

  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。他们通过不同的成型技术将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、金属间化合物等),制备得到了含铁催化剂的一系列复合材料。     

  实验结果表明,在室温下将复合材料浸入到含有多种单体的预聚液中,经过很短的反应时间复合材料表面即可通过原位聚合包覆一层均匀的水凝胶膜,进而快速地改变了材料表面的润湿和润滑特性。这就是我们上文提到的SCIRP技术。最近该成果在线发表在Advanced Materials 上。    

  利用SCIRP技术,研究人员还成功制得了复杂结构三维水凝胶管材料。他们发现,当以铁丝或棒状含铁复合材料作为生长模板时,移除模板后可获得中空水凝胶管。于是,他们拓展了凝胶管的化学组分,成功制备得到了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(图3)。 

3 铁表面引发聚合策略用于构筑复杂结构高强度水凝胶管材料    

  该项工作是材料学界第一次从化学聚合角度成功制得中空水凝胶管材料,与传统的模板浇筑法和3D打印挤出成型技术相比具有明显不同。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)进行共培养,发现在培养12天之后,凝胶管内壁形成了连续的内皮层,并出现了α-平滑肌肌动蛋白的特异性表达,这表明制得的凝胶管具有用作人工血管模型的潜力。    

  最近,该研究在线发表在 Chemistry of Materials 上(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532)。    

  以上工作的第一作者为兰州化物所麻拴红博士,他开玩笑地将SCIRP方法称之为“单体溶液浴法”。通过“单体溶液浴”为材料贴上一层“面膜”展示了广阔的应用前景。基于SCIRP聚合方法,研究人员正在发展一系列功能性材料,包括层状人工血管模型材料、水下软驱动材料、智能微流控材料、生物润滑材料、亲水减阻材料以及乳液分离材料等。周峰研究员相SCIRP技术的出现将推动材料学科多个领域的发展。