新的合成水凝胶比天然粘合剂更强硬

工程水凝胶从玻璃表面拉开。该材料显示出与肌腱和骨界面相当的“坚韧的湿粘合”的性质。界面处的波浪边缘不稳定性是刚性表面上强粘附的软材料的标志。图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）

来自麻省理工学院的工程师开发了一种制造合成，粘性水凝胶的方法，含有90％以上的水。作为透明，橡胶状材料的水凝胶可以粘附到具有与骨骼上肌腱和软骨之间的粘合相当的韧性的表面。

自然制定了解决粘性挑战的创新方法：贻贝和雄鹿乐队顽固地粘在悬崖面，船上，甚至是鲸鱼的皮肤。同样，肌腱和软骨粘在骨骼上具有令人难以置信的鲁棒性，使动物灵活和敏捷性。

所有这些情况下的天然粘合剂是水凝胶 - 一种粘性混合物的水和胶粘材料，产生坚韧且耐用的粘合剂。

现在工程师在麻省理工学院开发了一种制造合成，粘性水凝胶的方法，这些方法是90％以上的水。作为透明，橡胶状材料的水凝胶可以粘附到玻璃，硅，陶瓷，铝和钛等表面上，韧性与骨骼上的肌腱和软骨之间的粘合相当。

在实验中展示其稳健性，研究人员在两个玻璃板之间施加了一个小平方的水凝胶，然后它们悬浮在55磅重量。它们还将水凝胶粘合到硅晶片中，然后它们用锤子粉碎。虽然硅碎了，但它的碎片仍然堵塞。

这种耐久性使水凝胶成为水下表面上的保护涂层的理想候选者，如船和潜艇。随着水凝胶的生物相容性，它也可以适用于一系列与健康相关的应用，例如用于导管的生物医学涂层和植入体内的传感器。

“您可以想象使用这种非常强大，粘合剂，柔软的材料的新应用，”罗伯特N.Noyce职业发展助理教授在机械工程系中的罗伯特N.诺克。例如，赵的小组目前正在探索软机器人中的水凝胶，其中材料可以用作合成肌腱和软骨，或柔性接头。

“这是一个非常坚韧而粘合剂的凝胶，主要是水，”机械工程机械工程研究生和纸质的主要作者炫“和作品。“基本上，这是艰难的，粘合的水。”

赵和他的学生将在杂志自然材料中发布他们的结果。

了解麻省理工学院工程师如何开发出合成，粘性水凝胶，这些水凝胶超过90％的水。视频：Melanie Gonick / MIT（演示剪辑由Hyunwook Yuk提供）

一个壮丽的锚点

一种坚韧，柔性的水凝胶，债券强烈需要两个特点，赵发现：能量耗散和化学锚固。散热能量的水凝胶基本上能够显着延伸，而不会保留用于延伸它的所有能量。通过将其聚合物网络共价键合到该表面，将化学锚定的水凝胶粘附到表面上。

“化学锚定加散装耗散导致坚韧的粘接，”赵说。“肌腱和软骨束缚这些，所以我们真的从大自然中学习这个原则。”

在开发水凝胶中，YUK将水溶液与耗散成分混合以产生弹性橡胶状的材料。然后他将水凝胶置于各种表面上，例如铝，陶瓷，玻璃和钛，每种用功能硅烷改性 - 在每个表面及其水凝胶之间产生化学环节的分子。

然后，研究人员使用标准的剥离试验测试水凝胶的粘合，其中它们测量了从表面剥离水凝胶所需的力。平均而言，他们发现水凝胶的债券与每平方米1,000焦耳一样艰难 - 与骨骼上的肌腱和软骨相同。

Zhao Group将这些结果与现有的水凝胶相比，以及弹性体，组织粘合剂和纳米颗粒凝胶，发现新的水凝胶粘合剂具有更高的含水量和更强大的粘合能力。

“我们基本上破坏了水凝胶的粘结韧性的世界纪录，它受到自然的启发，”尤克说。

粘性机器人

除了用锤子和重量测试水凝胶的韧性外，赵和他的同事们探讨了在机器人关节中使用的，使用小型水凝胶连接短管以模拟机器人肢体。

“水凝块可以充当致动器，”赵说。“而不是使用传统的铰链，您可以使用这种柔软的材料与刚性材料强的粘接，它可以为机器人提供更多的自由度。”

研究人员还将其应用作为电导。YUK和其他学生将盐添加到水凝胶样品中，并将水凝胶连接到两个金属板通过电极连接到LED光。他们发现水凝胶使电循环内的盐离子流动，最终照亮了LED。

“我们为水凝胶金属混合导体创造了极其稳健的界面，”Yuk补充道。

赵的小组目前最为兴趣探索水凝胶在软机器人的使用，以及生物电体化。

“由于水凝胶含有超过90％的水，因此可以将粘合剂视为水粘合剂，其比天然胶水更加艰难，例如在谷仓和贻贝中，以及生物启发水下胶水，”赵说。“这项工作对了解生物粘附，以及水凝胶涂层，生物医学装置，组织工程，水处理和水下胶水等实际应用具有重要意义。”

该研究部分受到海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

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