《Nat. Chem.》仿生藤壺水下強效黏附粘合劑！

水下粘合技術長期以來面臨巨大挑戰。 在潮濕或完全浸沒的環境中，水合層會阻礙粘合劑與基底的直接接觸，削弱界面鍵合；同時，周圍水體的稀釋或溶脹作用會損害粘合劑的內聚力和固化效果。此外，水下應用場景涉及物理結構和化學性質迥異的被粘物——從無孔材料到高含水量的生物組織，從多孔凝膠到含脂質的結構——這進一步增加了開發通用型強效水下粘合劑的難度。盡管海洋生物如藤壺通過分泌蛋白基粘合劑前體，利用液-液相分離形成凝聚層來抵抗海水稀釋并在海洋生物表面實現牢固附著，為人工設計提供了靈感，但現有合成凝聚層在極端pH或高離子強度環境下穩定性有限，且相對較高的表面張力限制了其對多孔基底的浸潤，難以實現對水合及脂質基底的強效粘合。

受此啟發，華南理工大學邊黎明教授、趙鵬超教授、張琨雨副教授合作，開發出一種抗稀釋、超鋪展的簡單凝聚層，通過實現界面浸潤和鏈纏結，在潮濕和含脂質基底上實現了強效水下粘合。研究團隊將末端丁基接枝到聚丙二醇上，通過氫鍵和疏水相互作用的驅動，在水溶液中誘導液-液相分離，形成聚丙二醇凝聚層。這種簡單凝聚層展現出獨特的超鋪展特性，能夠促進其在潮濕和含脂質基底上的界面潤濕、滲透并形成纏結界面，同時有效富集親水性固化劑，通過快速原位光固化形成強韌的水下粘合劑。相關論文以“Superspreading and ultra-infiltrative coacervate mediates strong underwater adhesion on hydrated and lipidic substrates”為題，發表在Nature Chemistry上。

凝聚層的設計靈感源于對藤壺粘附機制的深入剖析。 藤壺分泌的藤壺膠蛋白能夠在海水中發生液-液相分離，形成抵抗海水稀釋的凝聚層，并迅速在海洋生物（如鯨魚）皮膚表面鋪展，最終通過交聯固化為致密的粘附斑塊，實現牢固粘附（圖1a）。相比之下，傳統基于聚電解質復合物的凝聚層在水環境中易發生稀釋，界面浸潤性差，難以在水合及含脂質基底上形成有效粘合（圖1b）。本研究報道的聚丙二醇簡單凝聚層則成功模擬了藤壺的粘附過程：它不僅能抵抗復雜水環境的稀釋，還能在水下實現超鋪展和深度界面滲透，通過原位固化形成牢固的粘合界面（圖1c）。

圖1 | 抗稀釋和超鋪展凝聚層通過模仿藤壺對海洋生物的粘附過程介導強韌水下粘附。 a, 藤壺利用藤壺膠牢固地附著在海洋生物表面，如鯨魚皮膚。藤壺膠的主要成分——藤壺膠蛋白儲存于膠腺中，并通過膠管分泌。這些蛋白在海水中發生液-液相分離，在海洋生物表面鋪展，并經歷pH觸發或金屬離子觸發的固化過程，從而實現強韌粘附。b, 示意圖顯示，基于傳統復合凝聚層的水下粘合劑易在水中稀釋，導致界面滲透性差，對高度水合和脂質基底的粘附力弱。c, 抗稀釋、超鋪展凝聚層通過界面滲透和互穿介導強韌水下粘附，模仿了藤壺的粘附過程。圖片來源：a 中的照片，Aleria Jensen，美國國家海洋和大氣管理局。

該凝聚層的形成與穩定性源于其獨特的分子設計。 研究團隊選用端氨基聚丙二醇與丁基異氰酸酯進行加成聚合，合成了含有脲基（氫鍵供體）和丁基（疏水基團）的聚合物（圖2a）。該聚合物在水中通過氫鍵和疏水相互作用驅動液-液相分離，形成單一組分的聚丙二醇凝聚層（圖2b）。熒光漂白恢復實驗證實了其液滴的液態特性（圖2c,d）。重要的是，該凝聚層在pH 1至13、1 M氯化鈉等極端水環境中均表現出優異的抗稀釋能力（圖2e），這歸功于其穩定機制依賴于pH和鹽濃度不敏感的氫鍵和疏水相互作用。而傳統聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合凝聚層在相同條件下則發生稀釋和崩解（圖2f）。化學破壞實驗進一步揭示，疏水相互作用在維持凝聚層穩定性中起主導作用，而氫鍵也提供了關鍵貢獻。

圖2 | 通過氫鍵和疏水相互作用組裝抗稀釋的聚丙二醇簡單凝聚層。 a, 聚丙二醇-丁基聚合物的化學結構及其在水溶液中通過氫鍵和疏水相互作用驅動發生液-液相分離形成聚丙二醇簡單凝聚層的過程。b, 聚丙二醇簡單凝聚層（黃色）與稀釋相（透明）分離的照片。c, 熒光素異硫氰酸酯標記的單個聚丙二醇凝聚層液滴的光漂白后熒光恢復的代表性共聚焦顯微鏡圖像。d, 光漂白后熒光恢復分析中記錄的歸一化熒光強度。e, 聚丙二醇簡單凝聚層在多種水環境（包括1摩爾每升氯化鈉、0.1摩爾每升鹽酸（pH 1）和0.1摩爾每升氫氧化鈉（pH 13）溶液）中均表現出強抗稀釋能力。f, 由聚丙烯酸和聚乙烯亞胺通過靜電相互作用組裝的傳統復合凝聚層在這些水溶液中解離和稀釋。d 中數據以均值±標準差表示（n = 3 個獨立的凝聚層樣品）。

得益于其獨特的界面性質，該凝聚層展現出卓越的水下鋪展和滲透能力。 在水下，聚丙二醇凝聚層在各種基底（玻璃、塑料、金屬乃至聚四氟乙烯）上的接觸角僅為12°至30°，遠低于硅油和傳統復合凝聚層（圖3a）。其低界面張力（約32 mN/m，與水相比）和低表面張力（約33 mN/m）是這一優異潤濕性的關鍵（圖3b,c）。一個熒光標記的凝聚層液滴可在60秒內完全鋪展在聚碳酸酯基底上（圖3d）。更令人矚目的是其超強滲透性：紅色染色的凝聚層能夠迅速滲入充滿藍色水的多孔聚氨酯海綿（孔徑約600微米）中，將水驅替出來而不被稀釋（圖3e,f）；它還能在120分鐘內滲入納米級孔徑的聚丙烯酰胺水凝膠深處約1.6毫米（圖3g）。這種滲透能力同樣在豬皮（水合-脂質混合基底，圖3h）、甘油基有機凝膠（脂質基底，圖3i）及多孔氧化鋁陶瓷等材料中得到驗證。

圖3 | 聚丙二醇凝聚層獨特的界面特性使其能夠在水下實現基底超鋪展和超滲透。 a, 聚丙二醇凝聚層、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合凝聚層在不同基底上的水下靜態接觸角。b, 通過懸滴法測定的聚丙二醇凝聚層、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合凝聚層在水中的界面張力。c, 雙氨基封端聚丙二醇（數均分子量400道爾頓）、聚丙二醇凝聚層、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亞胺復合凝聚層的表面張力。d, 照片（側視圖）和熒光圖像（俯視圖）顯示聚丙二醇凝聚層液滴（羅丹明B異硫氰酸酯標記）在聚碳酸酯基底上的水下鋪展和潤濕過程。e, 聚丙二醇凝聚層向水合多孔基底中界面滲透的示意圖。Δt 表示從凝聚層開始滲透到多孔基底被滲透一定深度的時間間隔。f, 紅色染色的聚丙二醇凝聚層（羅丹明B異硫氰酸酯標記）向充滿藍色染色水的多孔聚氨酯海綿中的滲透。g, 紅色染色的聚丙二醇凝聚層向高度水合的聚丙烯酰胺水凝膠中的滲透。h, 紅色染色的聚丙二醇凝聚層向水合-脂質雜化基底（如豬皮）中的滲透。i, 紅色染色的聚丙二醇凝聚層向甘油基有機凝膠中的滲透。統計學顯著性通過單因素方差分析隨后進行Tukey事后檢驗進行多組間比較。數據以均值±標準差表示（n = 每組3個獨立液體樣品）。

通過負載固化劑并原位光固化，該凝聚層形成了強韌的粘合層。 由于凝聚層內部為水相環境，可高效負載高達50%（質量/體積）的親水性丙烯酸單體及交聯劑，且在水下浸泡60分鐘后單體和交聯劑泄漏率極低（分別為約0.14%和0.002%），保證了粘合劑的穩定性和生物相容性。紫外光照射后，單體快速聚合（約27秒），將流動的凝聚層原位轉變為聚丙二醇-聚丙烯酸互穿網絡水凝膠（圖4a）。通過調節聚合物末端官能團（圖4b），研究發現端丁基修飾的聚丙二醇形成的凝膠（PPGA-But CoaGel）具有最低的溶脹率和最高的水下粘附強度（圖4c,d）。二維紅外相關光譜分析揭示了該凝膠內部存在多種類型的氫鍵網絡（圖4e,f），這些氫鍵是抑制溶脹、增強內聚力和實現強韌水下粘附的關鍵。

圖4 | 聚合物氫鍵網絡決定了凝聚層介導的強韌水下粘附。 a, 固化劑負載到聚丙二醇凝聚層中以及通過光聚合原位固化形成聚丙二醇凝聚層凝膠的示意圖。b, 用于凝聚層組裝的三種聚丙二醇聚合物（聚丙二醇-丁基、聚丙二醇-己基和聚丙二醇-丁基）的化學式。c, 三種聚丙二醇凝聚層凝膠的水下粘附強度和溶脹率。d, 聚丙二醇凝聚層凝膠中不同程度的水溶脹：聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠的低溶脹（i）以及聚丙二醇-己基凝聚層凝膠和聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠的過度溶脹（ii）。e, 聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠（i）、聚丙二醇-己基凝聚層凝膠（ii）和聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠（iii）中的多種氫鍵。f, 聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠（i）、聚丙二醇-己基凝聚層凝膠（ii）和聚丙二醇-丁基凝聚層凝膠（iii）的同步傅里葉變換紅外二維相關光譜。用阿拉伯數字標記的交叉峰符號指向e中所示的氫鍵類型。數據以均值±標準差表示（n = 每組3個獨立的凝聚層粘合劑）。

該凝聚層粘合劑通過界面網絡滲透在多種水合及脂質多孔基底上實現了強效粘合。 在納米級孔徑的水凝膠和微米級孔徑的聚氨酯海綿上，粘合劑均能形成牢固粘接（圖5a,b）。憑借這一特性，該粘合劑可成功組裝包含水凝膠、有機凝膠和有機水凝膠的雜化凝膠結構（圖5c），其粘附強度可達約70千帕。時間分辨實驗顯示，滲透深度與粘附強度同步增加，并均在10分鐘后趨于穩定，證實了界面滲透對增強粘附的直接貢獻。該粘合劑的實際應用潛力在多個場景中得到驗證：它能有效封堵水下泄漏的管道（圖5d）；可密封豬腸和豬心臟上的穿孔（圖5e,f）；在豬皮上的濕態粘附強度高達約479千帕（圖5g），顯著優于文獻中報道的多種代表性凝聚層基及水下粘合劑。在爆破壓力測試中，該粘合劑在豬皮、主動脈和腸道上均表現出極高的耐受壓力（豬皮上約436千帕），超越多數已報道組織密封劑（圖5h）。更重要的是，在大鼠胃穿孔模型中，原位光固化的聚丙二醇凝聚層粘合劑成功封閉了5毫米的胃壁穿孔，術后7天觀察到傷口愈合良好，其效果優于傳統縫合線和纖維蛋白膠（圖5i-l）。體外細胞培養和大鼠皮下植入實驗也證實了該粘合劑優異的細胞相容性和體內生物相容性。

圖 5 | 基于簡單凝聚層的水下粘合劑的潛在應用。 a, 聚丙二醇凝聚層粘合劑對水合或脂質多孔基底的水下粘附示意圖。b, 該凝聚層粘合劑用于粘接高度水合的聚丙烯酰胺水凝膠或脂質的甘油基有機凝膠。比例尺，1厘米。c, 利用該凝聚層粘合劑，以多種聚合物凝膠（包括水凝膠、有機凝膠和有機水凝膠）作為結構單元，構建聚合物凝膠組件。d, 利用該凝聚層粘合劑對管道泄漏進行水下原位密封。e, 使用該凝聚層粘合劑密封穿孔的豬腸。f, 使用該凝聚層粘合劑密封心臟穿孔。g, 聚丙二醇凝聚層粘合劑與代表性合成凝聚層基粘合劑及其他水下粘合劑在豬皮上組織粘附性能的比較。所引用參考文獻的詳細信息列于補充表5中。h, 聚丙二醇凝聚層粘合劑在不同豬組織上的爆破壓力比較，參考文獻列于補充表6中。i,j, 在大鼠模型中，通過縫合線、纖維蛋白凝膠和原位光固化聚丙二醇凝聚層粘合劑進行胃穿孔修復研究的示意圖 (i) 和實驗圖像 (j)；每組 n = 3 只獨立大鼠。k,l, 在縫合線、纖維蛋白凝膠或聚丙二醇凝聚層凝膠治療后第7天獲取的胃部傷口的大體照片 (k) 和蘇木精-伊紅染色圖像 (l)。j 和 k 中的白色虛線圓圈或黑色虛線圓圈表示治療區域。本工作中 g 和 h 中的數值以均值±標準差表示（每組 n = 3 個獨立的凝聚層粘合劑）。

綜上所述，這項研究提出了一種受生物啟發的液-液相分離策略，通過構建抗稀釋、超鋪展的聚丙二醇簡單凝聚層，解決了水下粘合領域長期存在的關鍵挑戰。 與依賴靜電作用的傳統復合凝聚層不同，該體系利用精心設計的端基官能團提供氫鍵和疏水相互作用，賦予了凝聚層卓越的環境穩定性、界面超潤濕性以及在多種水合及含脂質基底上的超強滲透能力。該凝聚層能夠富集親水性固化劑，并通過網絡滲透和界面纏結介導強韌的水下粘合。其內部的氫鍵網絡有效抵抗了水環境的稀釋和溶脹，是實現持久、強韌水下粘附的關鍵。該凝聚層基粘合劑在水下密封和組織穿孔修復中展現出巨大潛力，為滿足工業和生物醫學領域多樣化的應用需求，設計高性能的水下粘合劑提供了全新的思路和平臺。

來源：高分子科學前沿