自然界中的生物體，從完全柔軟的腔腸動(dòng)物和軟體動(dòng)物到脊椎動(dòng)物，都是由凝膠、纖維等結(jié)構(gòu)的各種生物材料融合而成。雖然技術(shù)上不能完全復(fù)制這些材料的復(fù)雜性，但是強(qiáng)韌水凝膠的獨(dú)特性質(zhì)推動(dòng)了柔性機(jī)器和柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展，并催生了新一代的仿生系統(tǒng)。通過水凝膠與彈性體、聚合物、金屬或礦化組織等固體材料的復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)人造組織的高度功能化。然而，克服不同物質(zhì)與富含水的水凝膠粘合時(shí)的低界面韌性是極具有挑戰(zhàn)的。最近有文獻(xiàn)報(bào)道通過自組裝對基質(zhì)表面官能化實(shí)現(xiàn)了韌性凝膠與無孔固體表面之間牢固粘合;通過紫外(UV)引發(fā)聚合實(shí)現(xiàn)了與彈性體的粘合。然而，這些方法都需要對基質(zhì)表面進(jìn)行較長時(shí)間的固化過程，而這對一些敏感的表面難以實(shí)現(xiàn)。因此，它們不適用于廣泛的基質(zhì)，并且缺乏在骨折愈合和其他對時(shí)間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用(如快速成型和高通量制造)中至關(guān)重要的即時(shí)性。

　　最近，約翰開普勒林茨大學(xué)的Martin Kaltenbrunner(通訊作者)等人報(bào)道了一種能將水凝膠堅(jiān)固地粘合在各種基質(zhì)表面的方法，該方法首先將氰基丙烯酸粘合劑分散到非溶劑中，隨后將分散液旋涂至基質(zhì)表面，最后將水凝膠按壓在基質(zhì)上。以這種方法制備的復(fù)合體界面韌性能達(dá)到2000 J/m2。研究者們還利用這種方法制備了柔性傳感器、發(fā)電機(jī)、自適應(yīng)透鏡和柔性電子設(shè)備如可伸縮電池、自供電電路和自動(dòng)觸發(fā)藥物遞送的電子皮膚。相關(guān)成果以“Instant tough bonding of hydrogels for soft machines and electronics”為題發(fā)表在Science Advances上，Daniela Wirthl和Robert Pichler是本文的共同第一作者。

　　圖文導(dǎo)讀

　　圖1：將水凝膠即時(shí)緊密地粘合到各種材料上。

　　A. 粘合方法示意圖;B. 粘合機(jī)理示意圖;C. 導(dǎo)電水凝膠粘合效果圖;D. 導(dǎo)電水凝膠修復(fù)前(藍(lán))后(紅)的歸一化電阻-單軸應(yīng)變曲線;E-G. 方形水凝膠(藍(lán)色)粘合到透明彈性體上。H-J. 鍍銅的導(dǎo)電PET膜粘合在預(yù)拉伸水凝膠上。

　　從A圖中可看出，粘合劑分散液能粘合(ⅰ).水凝膠、(ⅱ).水凝膠與彈性體及 (ⅲ).水凝膠與可彎曲的薄膜;如圖B所示，粘合劑單體擴(kuò)散到水凝膠和彈性體網(wǎng)絡(luò)中后發(fā)生聚合，粘合劑分子鏈與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了物理纏結(jié);C、D兩圖說明了剪斷的導(dǎo)電水凝膠用本文方法修復(fù)后幾乎完全恢復(fù)了機(jī)械性能和導(dǎo)電性;E-G圖表示了將水凝膠與彈性體粘合在一起后，可以在面積上拉伸了1000%而不破壞;H-J圖展示了將鍍銅PET膜粘合到預(yù)拉伸水凝膠上的照片。

　　圖2：即時(shí)粘合的界面韌性、光學(xué)透明性和可拉伸性。

　　A. 90°剝離測試示意圖;B. PVA-isoprene(綠)、PAAm/alginate-PET(淺藍(lán))和PHEMA-Ecoflex(紫)復(fù)合體的界面韌性;C.PHEMA(紫)、PAAm/alginate(淺藍(lán))和PVA(綠)水凝膠對各種基質(zhì)的界面韌性;D. VHB(黃)、PAAm水凝膠(藍(lán))和VHB/PAAm復(fù)合體的透光度與吸光度曲線;E. VHB-PAAm復(fù)合體在拉伸后的透光率曲線。

　　A圖展示了90°剝離測試的示意圖和照片，從中可看出水凝膠在測試時(shí)發(fā)生了內(nèi)聚破壞;C圖總結(jié)了PHEMA、PAAm/alginate、PVA三種水凝膠在不同基質(zhì)上的界面韌性，從中可看出，PHEMA、PAAm/alginate、PVA三種水凝膠的界面韌性分別達(dá)到了736 ± 112 J/m2、1427 ± 89 J/m2和2208 ± 186 J/m2;D圖展示了VHB、PAAm和VHB/PAAm三者的透光率，說明了本方法對材料的光學(xué)透明性無明顯影響。

　　圖3：柔性自適應(yīng)透鏡和具有瞬時(shí)粘合水凝膠電極的能量收集器。

　　A-C. 自適應(yīng)透鏡的示意圖、實(shí)物圖和焦距-電壓曲線;D-E. 激光軌跡的變化表明了透鏡的焦距受電壓控制;F. 用可變形彈性體-水凝膠電容器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的示意圖;G. 可變形球形彈性體-水凝膠電容器的照片;H-J. 可變形電容器的歸一化電容-拉伸比曲線、一次形變循環(huán)的機(jī)械能和電能變化圖。

　　B圖中自適應(yīng)透鏡內(nèi)字母大小的變化說明了給透鏡加上6.5Kv電壓后其焦距變大;C圖表明電壓增加到6.5kV后透鏡焦距變大了110%;H、J兩圖表示了可變形球形彈性體-水凝膠電容器一次變形循環(huán)的機(jī)械能和電能變化，其能量轉(zhuǎn)化率約為11%。

　　圖4：韌性可拉伸的電池和自供電的可拉伸電路。

　　A. 可拉伸電池結(jié)構(gòu)示意圖;B. 上下架構(gòu)(紅點(diǎn))和左右架構(gòu)(藍(lán)點(diǎn))可伸縮電池的奈奎斯特圖;C. 0%(紅色方塊)和50%(藍(lán)色三角形)應(yīng)變下的電壓與放電電流;D-F. 自供電可拉伸LED電路的示意圖、0%應(yīng)變與50%應(yīng)變、90°卷曲下的照片。

　　B圖的奈奎斯特圖說明了上下架構(gòu)的電池比左右架構(gòu)的電池內(nèi)阻小;C圖中，由于拉伸后水凝膠分隔層變薄，因此內(nèi)阻減小;E、F圖表明可拉伸電路在拉伸、扭曲后可以保持功能的完整性。

　　圖5：水凝膠電子皮膚。

　　A. 水凝膠電子皮膚示意圖;B. 水凝膠電子皮膚實(shí)物圖;C-D. 啟用四個(gè)加熱器的電路有限元模擬與紅外熱成像照片;E-F. 用手機(jī)藍(lán)牙控制貼在手腕上的電子皮膚打開四個(gè)加熱器與加熱450 s后的紅外熱成像圖片;G-H. 紅外熱成像儀與溫度傳感器測量的加熱器溫度隨時(shí)間變化曲線;I. 熱觸發(fā)藥物遞送的概念圖，其中藥物被包裹在脂質(zhì)殼中;J. 綠色食品著色劑在水凝膠基質(zhì)中的熱觸發(fā)擴(kuò)散圖像。

　　C、D圖表明對四個(gè)加熱器做有限元模擬得到的熱量分布與紅外熱成像照片上的熱量分布擬合得很好;E、F圖表示了在手機(jī)上打開加熱器開關(guān)后，通過熱成像儀觀察到加熱器溫度上升，說明電子皮膚成功地運(yùn)行起來;從J圖中可看出，加熱250min后，綠色染料擴(kuò)散到水凝膠中，證明了熱觸發(fā)藥物遞送的可行性。

　　小結(jié)

　　本文介紹了一種將水凝膠快速粘合到各種材料上的簡便、通用的方法，用這種方法得到的復(fù)合體的界面韌性超過了凝膠固有的斷裂強(qiáng)度。作者們用這種方法制作了柔性機(jī)器和電子設(shè)備，如自適應(yīng)透鏡、柔性發(fā)電機(jī)、柔性電池和水凝膠電子皮膚。說明該方法的應(yīng)用范圍囊括了從機(jī)器人、可再生能源的收集、電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備到新一類醫(yī)療工具和健康監(jiān)護(hù)設(shè)備等諸多方面。

　　全文鏈接：

　　http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1700053