CIQTEK SEM поддерживает публикацию в журнале Advanced Functional Materials о терморегулируемых адгезионных гидрогелях

Группа профессора Лай Юэкуна из Университета Фучжоу провела инновационное исследование, удовлетворяющее острую потребность в прочных адгезионных гидрогелях для таких областей, как носимые датчики, мягкая робототехника, тканевая инженерия и раневые повязки. В настоящее время адгезионные материалы для интерфейсов сталкиваются с двумя основными техническими проблемами: во-первых, с трудностями в достижении быстрого и обратимого перехода из адгезивного состояния в неадгезивное; во-вторых, с низкими адгезионными характеристиками в многожидкостных средах. Недавно команда провела углубленные исследования с использованием Сканирующий электронный микроскоп CIQTEK .

Гидрогель PANC/T был синтезирован из акриламида (AAm), N-изопропилакриламида (NIPAM), мицеллярного раствора, состоящего из додецилсульфата натрия/метилоктадецилметакрилата/хлорида натрия (SDS/OMA/NaCl) и фосфорновольфрамовой кислоты (PTA). Динамическое взаимодействие цепей PNIPAM с SDS обеспечивало адгезию и разделение по мере необходимости. Дальнейшее замачивание в растворе Fe³⁺ приводило к образованию гидрогеля PANC/T-Fe, обеспечивающего прочную адгезию в различных влажных средах. Это привело к разработке интеллектуального адгезионного гидрогеля с быстрой реакцией, способного к контролируемой адгезии и разделению при различных условиях влажности.

Исследование было опубликовано в Современные функциональные материалы под названием «Контролируемые температурой адгезионные гидрогели с замечательными свойствами влажной адгезии, основанными на динамических межцепочечных взаимодействиях».

Синтез и структурные характеристики контролируемого адгезивного гидрогеля

Гидрогель PANC/T-Fe синтезирован путем сополимеризации гидрофильного AAm, амфифильного NIPAM и гидрофобного OMA. PTA действует как сшивающий агент, образуя водородные связи с аминогруппами полимерных цепей для создания стабильной сети. Группа обнаружила, что взаимодействия между NIPAM и SDS имеют решающее значение для термочувствительной адгезии гидрогеля. При более низких температурах SDS кристаллизуется и прилипает к цепям PNIPAM, препятствуя взаимодействию адгезивных функциональных групп с субстратами и снижению адгезии. С повышением температуры кристаллы SDS плавятся, улучшая контакт между адгезивными группами и субстратами и значительно увеличивая адгезию. PTA усиливает адгезию при более высоких температурах за счет физического взаимодействия с аминогруппами полимера; это взаимодействие ослабевает при нагревании, размягчая гидрогель и создавая больше адгезионных участков. Динамическое регулирование между полимерными цепями обеспечивает обратимую адгезию по требованию.

Рисунок 1. Синтез гидрогеля и механизм обратимой влажной адгезии.

Механизм регулирования температуры адгезионных свойств

Сравнительные эксперименты подтвердили, что синергетический эффект NIPAM и мицеллярного раствора является ключевым фактором температурно-чувствительной адгезии гидрогеля. Результаты дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) показывают, что температурная реакция не связана с нижней критической температурой растворения (НКТР) NIPAM, а обусловлена взаимодействиями NIPAM и SDS, которые изменяют температуру кристаллизации SDS. Исследования in situ методом ИК-Фурье-преобразования показали, что повышение температуры ослабляет межцепочечные водородные связи, высвобождая больше адгезионных групп и усиливая адгезию. Реологический анализ дополнительно подтвердил температурно-зависимые изменения молекулярных взаимодействий, приводящие к изменению жесткости гидрогеля на гибкость.

Рисунок 2. Исследование механизма термочувствительной адгезии.

Адгезия по требованию и высокая адгезия во влажном состоянии

Гидрогель PANC/T-Fe демонстрирует адгезию по требованию без внешнего воздействия, достигаемую простым прикладыванием льда. При комнатной температуре (25 °C) гидрогель мягкий и обладает высокой адгезией, что затрудняет его отслоение от стекла без оставления следов. Обработка льдом усиливает внутреннюю когезию и эластичность, способствуя доброкачественному отслоению и снижая прочность адгезии. Адгезия оставалась стабильной в течение нескольких циклов при температуре от 5 °C до 25 °C, демонстрируя хорошую обратимость. Контролируемая адгезия гидрогеля в различных средах обладает значительным потенциалом для заживления тканей, восстановления материалов и использования в качестве актуаторов во влажной среде.

Рисунок 3. Тестирование эффективности обратимой адгезии.

Характеристики адгезии во влажном состоянии в различных жидких средах

Гидрогель также превосходно работает в жидких средах. Цепи сополимера содержат как гидрофильные, так и гидрофобные фрагменты; после обработки Fe³⁺ эти фрагменты перемещаются и перестраиваются на поверхности, обеспечивая прочную адгезию как в воде, так и в масле. CIQTEK SEM3100 Группа исследователей наблюдала структурные изменения до и после замачивания в Fe³⁺, подтверждая перестройку полимерной сети. Исследования влияния NIPAM и PTA показали, что их совместное действие обеспечивает превосходную адгезию в сухих, водных и масляных средах, достигая 121 кПа, 227 кПа и 213 кПа соответственно. Гидрогель прочно сцепляется с различными поверхностями, включая стекло, металл и дерево, и сохраняет хорошую адгезию в различных органических растворителях и водных растворах.

Рисунок 4. Характеристики адгезии во влажном состоянии в различных жидких средах.

Рисунок S10. Снимки поперечного сечения гидрогеля, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, до и после обработки Fe³⁺, демонстрирующие ослабление сети.

Эффективность ремонта поврежденных материалов

Гидрогель PANC/T-Fe имеет широкие перспективы применения для временного ремонта повреждённых материалов. Например, в испытаниях на герметичность моделей лодок гидрогель быстро останавливает утечку жидкости; отремонтированные лодки выдерживают определённые нагрузки без протечек. При ремонте повреждённых поверхностей в воде и нефти гидрогель выдерживает максимальное разрывное давление 57 кПа и 49 кПа соответственно. Применение на льду позволяет легко удалять его без остатка, что является ценным свойством для биомедицинских и интеллектуальных материалов, демонстрируя большой практический потенциал.

Рисунок 5. Эффективность временного ремонта гидрогелем PANC/T-Fe.

В данном исследовании успешно синтезирован гидрогель PANC/T-Fe, обладающий высокой адгезией в различных средах и обратимой адгезией «по требованию». Исследование показало, как динамические межцепочечные взаимодействия влияют на адгезионные характеристики, что дало теоретические рекомендации для создания новых интеллектуальных адгезивных материалов. Адгезия «по требованию» не требует внешней энергии и достигается при нанесении льда, предлагая новый подход к созданию интеллектуальных адгезивов в жидких средах. Ожидается, что этот инновационный метод управления адгезионными характеристиками откроет широкие возможности применения и позволит развивать интеллектуальные адгезионные технологии, предлагая новые решения для задач, связанных с адгезией.