麻省理工学院的学者们研发出一种新的水凝胶，含水量大于90%，测试性能优于现有的各种水凝胶。可应用于柔性机器人、生物医学、仿生凝胶等方面。

自然界本身有其独特的方法来解决粘附这个问题：蚌和藤壶可以将自己牢牢地粘在悬崖、船体甚至鲸的皮肤上。同样，肌腱和软骨牢牢地粘附在骨头上面才使得生物足够地灵活、敏捷。自然界中这些事例里粘结剂就是水凝胶——水和粘性材料的混合物，可以提供持久牢靠的连接。

麻省理工的工程师们经过研究，合成了一种含水量大于90%的粘性水凝胶。这种水凝胶是一种透明状，像橡胶的材料。可以应用于很多材料的表面，包括玻璃、硅、陶瓷、铝合金和钛合金。其粘附韧性可媲美肌腱和骨头之间的连接。

为了证明该水凝胶的牢固性，实验中研究人员在两块玻璃板之间放置了一个小正方形的水凝胶，同时，在中间悬挂了55磅重的重物。他们还将水凝胶粘在硅晶片上，然后用锤子敲碎。当硅片震碎时，它的碎片仍然留在原来的地方。

良好的耐久性使得这种水凝胶可以作为船和潜艇水下表面的保护涂层。这种凝胶的生物相容性较好，可以被应用于生物体内，比如作为导尿管和传感器的生物外层。

麻省机械工程学院的副教授Xuanhe Zhao说：“你可以想象一些这种很强健，粘性且柔软的材料的应用。”比如，他的团队现在正在研究如何将这种凝胶应用于柔性机器人中，这种材料可以被用作合成肌腱和软骨，或者弹性关节。

Hyunwoo Yuk 是一名机械工程研究生，也是这篇论文的第一作者，他解释说：“这是一种相当坚韧有粘性的胶体，就跟水一样，但是它是有韧性和连接功能的水。”

Zhao的团队将这种水凝胶和现有的水凝胶进行了比较，包括弹性体、组织粘合剂和纳米颗粒凝胶剂。结果表明，新的凝胶不仅拥有较高的水含量而且粘合能力更强。Yuk 说：“可以说，我们打破了水凝胶粘合韧性的世界纪录，而它的灵感也来自于大自然。”

除了测试水凝胶的韧性以外，该团队还用少量的水凝胶对模仿机器人肢体的短管进行连接，研究其在机器人关节上的应用。Zhao解释说：“水凝胶可以作为执行器代替传统的铰链。这种柔软的材料可以把那些僵硬的材料紧紧地连接起来，使机器人拥有更多的自由度。”

研究人员同样测试了它在导电方面的应用。Yuk等人将盐添加到水凝胶样本里，通过设计实验，使用电极和金属将其连接到LED光源。他们发现，盐离子可以在水凝胶中自由流动，最终将LED灯点亮。“我们为金属-水凝胶混合导体创造了非常坚韧的界面。”

该团队目前对水凝胶在柔性机器人和生物电子领域很感兴趣。“因为这种水凝胶含水量大于90%，其连接可以被认为是一种水粘合剂，比自然凝胶更坚韧。比如蚌和藤壶，仿生水下胶。” Zhao说，“这项工作对于理解仿生粘附这方面具有非凡意义，同样对于一些现实应用也影响重大，比如水凝胶涂层、生物医学器械、组织工程、水处理和水下胶。”

摘要速递：Tough bonding of hydrogels to diverse non-porous surfaces

Nature Materials  Hyunwoo Yuk；赵选贺（通讯作者）

Online 09 November 2015

doi:10.1038/nmat4463

In many animals, the bonding of tendon and cartilage to bone is extremely tough (for example, interfacial toughness ~800 J m−2; refs 1,2), yet such tough interfaces have not been achieved between synthetic hydrogels and non-porous surfaces of engineered solids3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Here, we report a strategy to design tough transparent and conductive bonding of synthetic hydrogels containing 90% water to non-porous surfaces of diverse solids, including glass, silicon, ceramics, titanium and aluminium. The design strategy is to anchor the long-chain polymer networks of tough hydrogels covalently to non-porous solid surfaces, which can be achieved by the silanation of such surfaces. Compared with physical interactions, the chemical anchorage results in a higher intrinsic work of adhesion and in significant energy dissipation of bulk hydrogel during detachment, which lead to interfacial toughness values over 1,000 J m−2. We also demonstrate applications of robust hydrogel–solid hybrids, including hydrogel superglues, mechanically protective hydrogel coatings, hydrogel joints for robotic structures and robust hydrogel–metal conductors.

————引自“高分子科学前沿”