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  做過胃腸鏡和插過導(dǎo)尿管的人都會知道，硬塑料橡膠在人體柔軟組織中拖動摩擦所帶來的痛苦。而且，導(dǎo)尿管等醫(yī)療器械表面容易粘附細(xì)菌、生長異物。這些問題困擾著全球幾千萬人。水凝膠柔軟多水，表面光滑抗菌，是和人體接觸的最好界面�？墒窃趺醋尭鞣N醫(yī)療儀器，例如導(dǎo)尿管、內(nèi)窺鏡等附上一層足夠厚又耐用的水凝膠涂層？該問題一直是醫(yī)療儀器和軟材料領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

  MIT趙選賀教授團(tuán)隊(duì)在2015年首次提出了水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理 (圖1a Nature Materials 15, 190-196 (2016))： 水凝膠本體要足夠堅(jiān)韌和有耗散性，而且水凝膠和黏附物間要有足夠強(qiáng)的鏈接。使用該機(jī)理，趙選賀教授團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)了水凝膠和各種醫(yī)用塑料橡膠材料的堅(jiān)韌粘附  (圖1b Nature Comm 7, 12028 (2016)), 并在2017年首次實(shí)現(xiàn)了對簡單形狀醫(yī)療儀器的堅(jiān)韌水凝膠涂層 （Advanced Healthcare Materials 6, 1700520 (2017)）。可是醫(yī)療儀器通常都有復(fù)雜的形狀，其內(nèi)外表面都可能不平整 (圖1c)。

圖1. a水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理； b水凝膠和各種醫(yī)用橡膠材料的堅(jiān)韌粘附；c復(fù)雜形狀橡膠/塑料制品

  在雜形狀醫(yī)療儀器上如何實(shí)現(xiàn)柔軟、耐用和足夠厚的水凝膠涂層(圖1c)？MIT趙選賀教授團(tuán)隊(duì)和華中科技大學(xué)臧劍鋒教授團(tuán)隊(duì)合作給出了答案： 讓復(fù)雜醫(yī)療儀器表面長出一層可控厚度的柔軟耐用的水凝膠皮膚。論文發(fā)表在Advanced Materials上（1807101 (2018)），華中科技大學(xué)臧劍鋒教授團(tuán)隊(duì)青年教師喻研，MIT博士生Hyunwoo Yuk，German Parada為論文共同第一作者，MIT趙選賀教授為論文通訊作者。

  現(xiàn)有的方法例如浸漬涂布法等很難得到均勻厚度的水凝膠涂層，不適用于醫(yī)療儀器內(nèi)表面和復(fù)雜表面。合作團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)全新的方法。他們將現(xiàn)有的醫(yī)療儀器材料 （硅橡膠，聚氨酯，聚氯乙烯，丁腈橡膠，乳膠等）的表面10~100微米通過等離子處理和溶脹滲透變得稀疏親水。然后讓水凝膠在這10~100微米的變性層中生長，形成天然的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠結(jié)構(gòu) （圖2）（注：雙網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)韌水凝膠由Jianping Gong教授提出，并非本工作原創(chuàng), Advanced Materials 15,1155,(2003)）。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠堅(jiān)韌有耗散性，同時(shí)水凝膠層和醫(yī)療儀器間保持了強(qiáng)鏈接，符合水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理 (圖1a Nature Materials 15, 190-196 (2016))。

圖2. 水凝膠皮膚生長機(jī)理

  該方法可以讓市面上買到的醫(yī)療儀器表面直接長出柔軟耐用的水凝膠皮膚，簡單、實(shí)用、安全、高效。另外水凝膠皮膚可以在干燥的狀態(tài)下儲存，使用前直接潤濕， 不影響效果。

  該方法既可以在宏觀尺度的具有復(fù)雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚，也可以在微觀尺度的具有復(fù)雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚。如圖3a所示，他們在厘米尺寸的“八角桁架”形硅橡膠上均勻制備了一層水凝膠皮膚。并且，如圖3b所示，他們在具有微米級 “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備了一層水凝膠皮膚。（通過對水凝膠皮膚進(jìn)行綠色染料的擴(kuò)散，可以清楚地看到整個(gè)表面被水凝膠皮膚完全覆蓋。）

  同時(shí)，該方法還能夠便捷地對水凝膠皮膚的厚度和粗糙度等進(jìn)行控制，從而滿足不同的應(yīng)用需求。他們僅僅通過在“單體水溶液”中添加/不添加微量鏈轉(zhuǎn)移劑（其它工藝完全一致），就可以得到厚度和粗糙度具有顯著區(qū)別的水凝膠皮膚（如圖3c，d）。

圖3. a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡膠上均勻制備的水凝膠皮膚；b在具有微米級 “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備的水凝膠皮膚；c薄且較光滑的水凝膠皮膚；d厚且較粗糙的水凝膠皮膚

  這種水凝膠皮膚層比橡膠表面要柔軟很多。對比圖4a（橡膠表面彈性模量）和圖4b（水凝膠皮膚表面彈性模量），可以看出，水凝膠皮膚的表面彈性模量僅僅只有橡膠表面的約1/70。并且，從宏觀上看，水凝膠皮膚基本不會改變橡膠的拉伸模量。這說明該水凝膠皮膚只是改變了橡膠表面的柔軟性，并沒有影響橡膠整體的性能和功能（如圖4c）。

  同時(shí)它在水中具有極其優(yōu)異的耐摩擦磨損性能。一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會隨壓強(qiáng)的增大而升高（如圖4d）。另一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會隨摩擦?xí)r間的增長而升高（如圖4e）。這主要是由于水凝膠皮膚具有非常優(yōu)異的保水性能和抗磨損性能（見圖4f）。另外，水凝膠皮膚層還具有非常優(yōu)異的抗菌潛力。他們證明了大腸桿菌極難在水凝膠皮膚表面生長和附著（如圖5a，b）。

圖4. a橡膠表面彈性模量；b水凝膠皮膚表面彈性模量；c制備水凝膠皮膚前后，橡膠的整體硬度對比；d摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化對比；e摩擦系數(shù)隨時(shí)間的推移對比；f水凝膠皮膚被長時(shí)間摩擦前后對比

圖5. a, b 抗大腸桿菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

  由于該方法不僅可以采用光引發(fā)方式制備，也可以采用熱引發(fā)方式制備。所以，可以在高分子管道的外壁和內(nèi)壁都均勻地制備水凝膠皮膚，比如圖6a所示的醫(yī)用心肌導(dǎo)管外壁以及圖6b所示的商業(yè)聚氯乙烯管道的內(nèi)壁和外壁。該方法還能在很多不規(guī)則形狀的商業(yè)醫(yī)用管狀器械上制備水凝膠皮膚，比如圖6c的氣囊導(dǎo)尿管。

圖6. 在不同商業(yè)橡膠/塑料制品上制備水凝膠皮膚

  人體器官（例如大腦、脊髓、心臟、肌肉、皮膚等）大多是由水凝膠組成的——柔軟多水有生物活性。和人體接觸的現(xiàn)代機(jī)器 （例如導(dǎo)尿管、內(nèi)窺鏡、血管支架、起搏器、電極等）大多是由金屬、硅、陶瓷、玻璃、塑料等組成的——堅(jiān)硬干燥無生命。人體和機(jī)器間的不相容甚至互相矛盾的材料特性，是影響健康和生命的重大問題之一。MIT趙選賀教授團(tuán)隊(duì)提出用水凝膠作為界面更好的融合人體和機(jī)器 （圖7）。他們在近期綜述《水凝膠生物電子學(xué)》（DOI:10.1039/C8CS00595H）中系統(tǒng)定義了水凝膠人機(jī)界面的基本原理和材料設(shè)計(jì)原則，并建議了未來發(fā)展的方向。本工作是水凝膠作為人體和醫(yī)療儀器理想界面的例子之一。

圖7. 水凝膠人機(jī)界面

  論文鏈接：http://web.mit.edu/zhaox/www/papers/117.pdf

  MIT趙選賀教授團(tuán)隊(duì)（http://web.mit.edu/zhaox/www/）長期推動軟材料和人機(jī)界面科技前沿的發(fā)展。最近的成果包括：

機(jī)理研究

• 首次系統(tǒng)闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機(jī)理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

• 首次提出水凝膠超韌粘結(jié) （tough adhesion）的機(jī)理并實(shí)現(xiàn)與各種材料的超韌粘結(jié) Nature Materials, 15, 190 (2016)

• 首次系統(tǒng)闡述水凝膠增強(qiáng) (high strength) 的機(jī)理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

• 首次提出水凝膠抗疲勞 （anti-fatigue）的機(jī)理并實(shí)現(xiàn)超高抗疲勞水凝膠 Science Advances, in press

• 首次定義水凝膠生物電子學(xué) （hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, DOI: 10.1039/c8cs00595h

• 首次提出堅(jiān)韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer hybrid）并實(shí)現(xiàn)不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

• 首次提出3D打印超韌超彈水凝膠的方法并打印各種載細(xì)胞的超韌超彈水凝膠結(jié)構(gòu) Advance Materials, 27, 4035 (2015)

• 首次提出3D打印鐵磁軟材料和軟機(jī)器 Nature, 558, 274 (2018)

應(yīng)用研究

• 首次提出并實(shí)現(xiàn)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

• 首次實(shí)現(xiàn)液壓水凝膠驅(qū)動器和機(jī)器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

• 首次實(shí)現(xiàn)超拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

• 首次實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療儀器上的超韌水凝膠涂層  Advanced Healthcare Materials, DOI: 10.1002/adhm.201700520; Advanced Materials, 1807101 (2018)

• 首次提出并實(shí)現(xiàn)可拉伸生命器件 （stretchable living device） Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 2200 (2017)

• 首次應(yīng)用力學(xué)失穩(wěn)得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)