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        难粘材料,如何利用“物理缠结、机械互锁”粘附机理提高粘接力?

        2022/9/29 16:34:34??????点击:
        对于如何提高胶黏剂在材料上的粘附力,最重要的方法就是让胶黏剂与被粘材料在界面之间形成化学交联,也就是说让胶粘剂上的功能基团与被粘材料表面的一些化学官能团(如羟基、羧基等)发生共价相互作用,形成共价交联来实现胶粘剂与被粘材料的稳定粘附。
        然而,实际应用中不少材料表面并不存在可反应的化学官能团,为了实现胶粘剂对这类材料的有效粘接,技术策略之一就是利用“物理缠结及结构互锁”粘附理论。这期,《胶界》将重点介绍医用胶黏剂是如何通过“物理缠结及机械互锁”粘附理论,实现对生物组织上的有效粘附。
        机械互锁

        机械互锁是指胶粘剂材料通过渗入基底表面,与基底材料表面的微观空洞等不规则处发生机械互锁,从而形成粘合。

        机械互锁可通过几何形状连接两个附着体,既不需要共价键也不需要非共价键。机械互锁可大致分为两类:一种是胶粘剂与封闭孔隙粘附体之间的钥匙?锁拓扑结构(图1a),另一种是胶粘剂与开放孔隙粘附体之间的螺纹孔拓扑结构(图1b)

        图1 宏观拓扑粘附结构: (a)胶粘剂与封闭孔隙粘附体之间的钥匙?锁拓扑结构;(b)胶粘剂与开放孔粘附体之间的螺纹孔拓扑结构

        基于此,有研究者报道了一种基于寄生蠕虫的仿生微针组织胶粘剂(MN) (图2)。

        图2 仿生微针胶粘剂制备及示意图: (a)水响应形状改变微针穿刺组织后机械互锁示意图;(b)双层MN阵列制备示意图

            这种仿生组织胶粘剂有一组锥形微针,其顶端可膨胀,可以与组织进行机械互锁。微针的可膨胀外层由聚苯乙烯?聚丙烯酸(PS-b-PAA)嵌段共聚物组成,内层由聚苯乙烯(PS)组成,具有很好的机械强度。将贴片贴到组织上时,贴片上的微针会渗透到组织中。微针外层的嵌段共聚物与水接触时发生膨胀,导致局部组织发生变形,并使得微针与组织之间发生机械互锁。该微针胶粘剂对皮肤移植物和肠道组织的粘附强度大于缝合针,具有很大的应用潜力。

        物理纠缠

        从分子的角度来看,组织可以被认为是由大分子组成的微孔或纳米多孔聚合物网络。因此,应用于组织表面的胶粘剂前驱体可以通过孔隙渗透到组织基体中,发生物理缠结和机械互锁,形成互穿网络。

        在拓扑粘附中,聚合物通过交联和拓扑纠缠与附着底物的两个网络在原位形成网络,在分子尺度上将底物拼接在一起。这种类型的粘附剂可用于粘附有或没有官能团的表面,通常在湿材料(如水凝胶和湿组织)之间提供良好的附着力。

        图3 (a)用于各种湿表面的坚韧胶粘剂示意图; (b)拓扑粘附过程示意图及壳聚糖缝合水凝胶与各种组织的粘附能

        例如,TAs是一种基于互锁实现强韧粘附的胶粘剂(图3a,其可通过两种效应的协同作用实现其在水下的高粘附性能:(1)粘合剂与基材之间的连锁相互作用;(2)在基底表面的滞回耗散能量的能力。一旦湿材料被拓扑粘合,它们就必须在破坏缝合网或粘合材料网的情况下才能实现脱胶。

        为了更方便地实现脱胶,还可以利用环境等的变化制备响应型胶黏剂剂,例如具有pH响应特性的壳聚糖基拓扑胶粘剂(图3b)。所选聚合物在特定的pH范围内溶解,而聚合物网络在不同的pH范围内重组。通过改变pH值,聚合物可以形成一个网络,并与粘附的湿材料的聚合物网络发生拓扑纠缠,将它们拼接在一起,实现了强大结合。

        但是这种粘附方式受聚合物分子量、浓度、亲疏水性能的影响,且只适用于具有一定粘性的聚合物前驱体溶液,对已经成型的组织胶粘剂不适用。胶粘剂与基底形成有效附着力时往往需要穿透目标基材,与目标基材形成互锁, 因此对不同基材的附着力差异较大,剥离时容易产生残留。

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