許多生物材料和人工合成材料中都含有大量的水，例如生物器官和水凝膠。基于含水材料的應用近年來取得了顯著的發(fā)展，例如器官修復，傷口愈合，藥物傳遞等生物醫(yī)學應用，以及可用于收集能量的人工植入芯片，用于脊椎損傷患者重新恢復運動功能的神經(jīng)信號模擬和激勵設備，和新型可穿戴傳感器、驅(qū)動器等。
能夠整合性質(zhì)各異的含水材料，比如水凝膠和生物器官，是實現(xiàn)以上這些應用的關鍵因素。然而，含水材料之間的粘附一般非常弱，其粘接能往往在1 J/m2左右。相比之下，一般水凝膠和生物器官的斷裂能有 100 J/m2，人體皮膚，軟骨，韌帶，以及韌性水凝膠可以達到 1000 J/m2。如何有效粘接各類含水材料，使其粘接能達到材料的斷裂能仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。
以兩塊水凝膠之間的粘附為例。水凝膠中的水含量往往在 85 % 質(zhì)量分數(shù)以上。當兩塊水凝膠貼在一起并形成界面時，水分子占據(jù)了界面上的大部分空間，而水凝膠中的高分子鏈只在界面上稀疏地分布。由于水分子幾乎無法承受剪切力，從界面處剝離兩塊水凝膠所需要的能量釋放率十分微弱，而稀疏的高分子鏈更是對粘接能幾乎沒有貢獻。由此可見，含水材料間極弱的粘附是材料本身的固有屬性，極大地限制了含水材料的廣泛應用。
現(xiàn)存的含水材料的粘接方法都存在以下的一些問題：1. 粘接能遠遠低于斷裂能；2. 生物毒性；3. 機械性能差；4. 需要引入特殊官能團。例如，我們生活中廣泛使用的“萬能膠”，氰基丙烯酸酯 （cyanoacrylate），可以實現(xiàn)強粘接，但其生物性能和機械性能均與器官和水凝膠不相容。近年來發(fā)展的一些其他方法需要水凝膠有特定官能團的，有很大的局限性。
受到手術傷口縫合線的啟發(fā)，哈佛大學鎖志剛教授課題組首次提出含水材料的“分子縫合”技術。研究人員把聚合物溶液作為膠水涂在兩層含水材料的界面處，溶液中的高分子鏈從界面處擴散進入含水材料的聚合物網(wǎng)絡后，受到特定的觸發(fā)條件，如pH，溫度，光，鹽等，會交聯(lián)形成一層新的網(wǎng)絡。這層新的網(wǎng)絡與原本的兩層含水材料的網(wǎng)絡形成拓撲纏結，從而產(chǎn)生強韌的粘接。也就是說，在分子層面上，這一層新的聚合物網(wǎng)絡如同“縫合線”一般，將原先的兩片含水材料的網(wǎng)絡在分子尺度上“縫”在了一起。這個粘接方法稱為拓撲粘接法。
pH-觸發(fā)拓撲粘接實例
以pH觸發(fā)的拓撲粘接為例。殼聚糖（chitosan）的pKa為6.5。當外部溶液的pH低于6.5時，殼聚糖呈溶解狀態(tài)（圖1a）；高于6.5時，殼聚糖的分子鏈直接形成氫鍵并可以形成聚合物網(wǎng)絡（圖1b）。研究人員將pH = 5的殼聚糖溶液像膠水一樣涂抹在兩層pH = 7 的水凝膠之間（圖1c）。經(jīng)過幾小時的靜置，殼聚糖鏈擴散進入水凝膠中，在pH = 7的環(huán)境中通過氫鍵交聯(lián)形成第三層網(wǎng)絡，與原先的含水材料中的聚合物網(wǎng)絡形成拓撲纏結從而達到強粘接（圖1d）。整個樣品（兩層水凝膠與之間的殼聚糖網(wǎng)絡）仍然保持高度透明（圖2）。
圖1. pH-觸發(fā)拓撲粘接。
圖2. 拓撲粘接形成的透明樣品
拓撲粘接法適用于任何含水材料
由于這種pH引發(fā)的拓撲粘接不需要來自于含水材料的任何特定官能團，該方法可以在幾乎任意含水材料之間產(chǎn)生強韌的粘接。研究人員合成了不同的常見水凝膠，并用殼聚糖來驗證這一普適的強粘接。在所有情況下，相同兩層水凝膠之間的粘接能都幾乎達到了水凝膠本身的斷裂能（圖3a）。此外，該方法還可實現(xiàn)水凝膠與生物組織間的強粘接（圖3b）。由于殼聚糖為生物多糖，此種情況下的拓撲粘接法具體良好的生物相容性。
圖3. 拓撲粘接法可對任意含水材料產(chǎn)生強粘接
拓撲粘接法適用于全范圍的pH環(huán)境
人體器官都有一個特定的體液酸堿環(huán)境。絕大多數(shù)器官的體液環(huán)境保持pH接近中性，比如心臟，皮膚等；一些器官的體液環(huán)境非常酸，比如在胃的內(nèi)部，胃酸的pH在2左右；另一些器官的體液環(huán)境偏堿性，比如胰腺分泌液的pH在8左右。拓撲粘接法適用于全范圍pH就顯得十分必要。研究人員選取了不同pKa值的四種分子鏈：殼聚糖（chitosan），纖維素（cellulous），聚（4-氨基苯乙烯）（Poly(4-aminostyrene)），海藻酸鈉（alginate）。這些分子鏈交聯(lián)成網(wǎng)絡所需的pH范圍各不相同，把這些pH范圍組合在一起就覆蓋了全范圍的pH（圖4a），也就實現(xiàn)了在全范圍pH的強韌的拓撲粘接（圖4b-e）。
值得一提的是，強酸或強堿環(huán)境下的強韌粘接一直以來都是一個難題。例如，在人體胃液的強酸條件下，即便是常用的“萬能膠”，cyanoacrylate，也會失效；谕負湔辰臃，研究人員只需選用合適的“縫合聚合物”形成網(wǎng)絡，就可以輕松地實現(xiàn)極端pH環(huán)境下的強粘接。
圖4. 拓撲粘接法適用于全范圍的pH環(huán)境
拓撲粘接法可實現(xiàn)pH觸發(fā)的可逆脫粘
pH觸發(fā)的拓撲粘接還具有可逆性。以殼聚糖為例，只需要調(diào)節(jié)界面處的pH值，就可以形成或打開相應的殼聚糖網(wǎng)絡（圖5）。研究人員在兩層用殼聚糖粘接好的水凝膠的下層懸掛一重物，并分別在兩層水凝膠的界面處滴加蒸餾水（視頻1a）和鹽酸（視頻1b）。滴加蒸餾水的界面完好無損，而滴加稀鹽酸的界面逐漸脫粘，直到上下兩層水凝膠完全分離。
圖5. pH觸發(fā)的拓撲粘接的可逆性
視頻1a. 在已粘接的兩層水凝膠界面處滴加蒸餾水。
視頻1b. 在已粘接的兩層水凝膠界面處滴加稀鹽酸。
拓撲粘接法的脫粘機理
基于拓撲粘接法的界面脫粘存在兩種可能的模式（圖6a）。如果“縫合網(wǎng)絡”強于含水材料的網(wǎng)絡，界面脫粘是由于含水材料網(wǎng)絡的斷裂導致，實驗測得的粘接能應與含水材料本身的斷裂能相同；如果“縫合網(wǎng)絡”弱于含水材料的網(wǎng)絡，界面脫粘則是由于“縫合網(wǎng)絡”的斷裂導致，測得的粘接能應小于含水材料的斷裂能。
研究人員對比了用殼聚糖粘接的兩塊聚丙烯酰胺（PAAM）水凝膠的粘接能和聚丙烯酰胺水凝膠本身的斷裂能（圖6b 黑色與藍色）。由于缺少顯著的能量耗散機制，實驗測得的粘接能和斷裂能均不顯著依賴于裂紋擴展速度。然而， 測得的粘接能在任何速度下都低于凝膠本身的斷裂能。這表明了界面脫粘是由于“縫合網(wǎng)絡”的斷裂所導致。值得注意的是，拓撲粘接法產(chǎn)生的粘接能即使在500 nm/s的裂紋速度下依然高達60 J/m2，與共價鍵網(wǎng)絡的斷裂能在同一量級。這一結果說明了即使是通過氫鍵交聯(lián)的“縫合網(wǎng)絡”也具有很高的穩(wěn)定性和機械強度，其網(wǎng)絡強度可達到共價交聯(lián)的網(wǎng)絡強度。
此外，用殼聚糖粘接兩塊韌性水凝膠，海藻酸鈣-聚丙烯酰胺（Alg-PAAM），粘接能在高脫粘速度下可以很容易地達到1000 J/m2 以上，這表明了基于殼聚糖的“縫合網(wǎng)絡”的自身強度已經(jīng)足夠觸發(fā)韌性水凝膠內(nèi)部的能量耗散機制，從而顯著提升粘接能。另一方面，在低脫粘速度下，由于海藻酸鈣-聚丙烯酰胺缺失耗散機制，其粘接能將接近于兩塊單網(wǎng)絡聚丙烯酰胺的粘接能，粘接能并沒有隨著使用韌性水凝膠而得到提高。
圖6. 慢速斷裂實驗研究拓撲粘接法的脫粘機理
拓撲粘結法作為新的粘接機制可以滿足不同臨床粘接需要。“分子縫合”不但減輕了傳統(tǒng)縫合線給患者帶來的不適或者疼痛，還可以通過精準的分子設計達到不同的粘接效果，例如永久粘接，暫時粘接，或者人為選擇脫粘。當水凝膠作為器官修復物時，永久粘接更被需要；當水凝膠作為傷口敷料時，在傷口愈合后，水凝膠需要降解吸收或者人為脫粘；谶@些需求，“分子縫合”有潛力在更大的領域中被推廣使用。例如通過酸堿，熱，光，或者特定化學物等實現(xiàn)在多種復雜環(huán)境和極端環(huán)境中的粘接。
該研究工作發(fā)表在Advanced Materials (2018, 1800671)。楊加偉博士（哈佛大學博士）和白若冰博士（哈佛大學博士）為論文共同第一作者，哈佛大學、美國工程院院士鎖志剛教授為論文通訊作者。
論文信息與鏈接
Jiawei Yang, Ruobing Bai, Zhigang Suo, Topological Adhesion of Wet Materials
J. Yang, R. Bai, Z. Suo, Adv. Mater. 2018, 1800671.
