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          難粘材料,如何利用“物理纏結、機械互鎖”粘附機理提高粘接力?

          2022/9/29 16:34:34??????點擊:
          對于如何提高膠黏劑在材料上的粘附力,最重要的方法就是讓膠黏劑與被粘材料在界面之間形成化學交聯,也就是說讓膠粘劑上的功能基團與被粘材料表面的一些化學官能團(如羥基、羧基等)發生共價相互作用,形成共價交聯來實現膠粘劑與被粘材料的穩定粘附。
          然而,實際應用中不少材料表面并不存在可反應的化學官能團,為了實現膠粘劑對這類材料的有效粘接,技術策略之一就是利用“物理纏結及結構互鎖”粘附理論。這期,《膠界》將重點介紹醫用膠黏劑是如何通過“物理纏結及機械互鎖”粘附理論,實現對生物組織上的有效粘附。
          機械互鎖

          機械互鎖是指膠粘劑材料通過滲入基底表面,與基底材料表面的微觀空洞等不規則處發生機械互鎖,從而形成粘合。

          機械互鎖可通過幾何形狀連接兩個附著體,既不需要共價鍵也不需要非共價鍵。機械互鎖可大致分為兩類:一種是膠粘劑與封閉孔隙粘附體之間的鑰匙?鎖拓撲結構(圖1a),另一種是膠粘劑與開放孔隙粘附體之間的螺紋孔拓撲結構(圖1b)

          圖1 宏觀拓撲粘附結構: (a)膠粘劑與封閉孔隙粘附體之間的鑰匙?鎖拓撲結構;(b)膠粘劑與開放孔粘附體之間的螺紋孔拓撲結構

          基于此,有研究者報道了一種基于寄生蠕蟲的仿生微針組織膠粘劑(MN) (圖2)。

          圖2 仿生微針膠粘劑制備及示意圖: (a)水響應形狀改變微針穿刺組織后機械互鎖示意圖;(b)雙層MN陣列制備示意圖

              這種仿生組織膠粘劑有一組錐形微針,其頂端可膨脹,可以與組織進行機械互鎖。微針的可膨脹外層由聚苯乙烯?聚丙烯酸(PS-b-PAA)嵌段共聚物組成,內層由聚苯乙烯(PS)組成,具有很好的機械強度。將貼片貼到組織上時,貼片上的微針會滲透到組織中。微針外層的嵌段共聚物與水接觸時發生膨脹,導致局部組織發生變形,并使得微針與組織之間發生機械互鎖。該微針膠粘劑對皮膚移植物和腸道組織的粘附強度大于縫合針,具有很大的應用潛力。

          物理糾纏

          從分子的角度來看,組織可以被認為是由大分子組成的微孔或納米多孔聚合物網絡。因此,應用于組織表面的膠粘劑前驅體可以通過孔隙滲透到組織基體中,發生物理纏結和機械互鎖,形成互穿網絡。

          在拓撲粘附中,聚合物通過交聯和拓撲糾纏與附著底物的兩個網絡在原位形成網絡,在分子尺度上將底物拼接在一起。這種類型的粘附劑可用于粘附有或沒有官能團的表面,通常在濕材料(如水凝膠和濕組織)之間提供良好的附著力。

          圖3 (a)用于各種濕表面的堅韌膠粘劑示意圖; (b)拓撲粘附過程示意圖及殼聚糖縫合水凝膠與各種組織的粘附能

          例如,TAs是一種基于互鎖實現強韌粘附的膠粘劑(圖3a,其可通過兩種效應的協同作用實現其在水下的高粘附性能:(1)粘合劑與基材之間的連鎖相互作用;(2)在基底表面的滯回耗散能量的能力。一旦濕材料被拓撲粘合,它們就必須在破壞縫合網或粘合材料網的情況下才能實現脫膠。

          為了更方便地實現脫膠,還可以利用環境等的變化制備響應型膠黏劑劑,例如具有pH響應特性的殼聚糖基拓撲膠粘劑(圖3b)。所選聚合物在特定的pH范圍內溶解,而聚合物網絡在不同的pH范圍內重組。通過改變pH值,聚合物可以形成一個網絡,并與粘附的濕材料的聚合物網絡發生拓撲糾纏,將它們拼接在一起,實現了強大結合。

          但是這種粘附方式受聚合物分子量、濃度、親疏水性能的影響,且只適用于具有一定粘性的聚合物前驅體溶液,對已經成型的組織膠粘劑不適用。膠粘劑與基底形成有效附著力時往往需要穿透目標基材,與目標基材形成互鎖, 因此對不同基材的附著力差異較大,剝離時容易產生殘留。

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