《Nat. Chem.》仿生藤壶水下强效黏附粘合剂！

水下粘合技术长期以来面临巨大挑战。 在潮湿或完全浸没的环境中，水合层会阻碍粘合剂与基底的直接接触，削弱界面键合；同时，周围水体的稀释或溶胀作用会损害粘合剂的内聚力和固化效果。此外，水下应用场景涉及物理结构和化学性质迥异的被粘物——从无孔材料到高含水量的生物组织，从多孔凝胶到含脂质的结构——这进一步增加了开发通用型强效水下粘合剂的难度。尽管海洋生物如藤壶通过分泌蛋白基粘合剂前体，利用液-液相分离形成凝聚层来抵抗海水稀释并在海洋生物表面实现牢固附着，为人工设计提供了灵感，但现有合成凝聚层在极端pH或高离子强度环境下稳定性有限，且相对较高的表面张力限制了其对多孔基底的浸润，难以实现对水合及脂质基底的强效粘合。

受此启发，华南理工大学边黎明教授、赵鹏超教授、张琨雨副教授合作，开发出一种抗稀释、超铺展的简单凝聚层，通过实现界面浸润和链缠结，在潮湿和含脂质基底上实现了强效水下粘合。研究团队将末端丁基接枝到聚丙二醇上，通过氢键和疏水相互作用的驱动，在水溶液中诱导液-液相分离，形成聚丙二醇凝聚层。这种简单凝聚层展现出独特的超铺展特性，能够促进其在潮湿和含脂质基底上的界面润湿、渗透并形成缠结界面，同时有效富集亲水性固化剂，通过快速原位光固化形成强韧的水下粘合剂。相关论文以“Superspreading and ultra-infiltrative coacervate mediates strong underwater adhesion on hydrated and lipidic substrates”为题，发表在Nature Chemistry上。

凝聚层的设计灵感源于对藤壶粘附机制的深入剖析。 藤壶分泌的藤壶胶蛋白能够在海水中发生液-液相分离，形成抵抗海水稀释的凝聚层，并迅速在海洋生物（如鲸鱼）皮肤表面铺展，最终通过交联固化为致密的粘附斑块，实现牢固粘附（图1a）。相比之下，传统基于聚电解质复合物的凝聚层在水环境中易发生稀释，界面浸润性差，难以在水合及含脂质基底上形成有效粘合（图1b）。本研究报道的聚丙二醇简单凝聚层则成功模拟了藤壶的粘附过程：它不仅能抵抗复杂水环境的稀释，还能在水下实现超铺展和深度界面渗透，通过原位固化形成牢固的粘合界面（图1c）。

图1 | 抗稀释和超铺展凝聚层通过模仿藤壶对海洋生物的粘附过程介导强韧水下粘附。 a, 藤壶利用藤壶胶牢固地附着在海洋生物表面，如鲸鱼皮肤。藤壶胶的主要成分——藤壶胶蛋白储存于胶腺中，并通过胶管分泌。这些蛋白在海水中发生液-液相分离，在海洋生物表面铺展，并经历pH触发或金属离子触发的固化过程，从而实现强韧粘附。b, 示意图显示，基于传统复合凝聚层的水下粘合剂易在水中稀释，导致界面渗透性差，对高度水合和脂质基底的粘附力弱。c, 抗稀释、超铺展凝聚层通过界面渗透和互穿介导强韧水下粘附，模仿了藤壶的粘附过程。图片来源：a 中的照片，Aleria Jensen，美国国家海洋和大气管理局。

该凝聚层的形成与稳定性源于其独特的分子设计。 研究团队选用端氨基聚丙二醇与丁基异氰酸酯进行加成聚合，合成了含有脲基（氢键供体）和丁基（疏水基团）的聚合物（图2a）。该聚合物在水中通过氢键和疏水相互作用驱动液-液相分离，形成单一组分的聚丙二醇凝聚层（图2b）。荧光漂白恢复实验证实了其液滴的液态特性（图2c,d）。重要的是，该凝聚层在pH 1至13、1 M氯化钠等极端水环境中均表现出优异的抗稀释能力（图2e），这归功于其稳定机制依赖于pH和盐浓度不敏感的氢键和疏水相互作用。而传统聚丙烯酸-聚乙烯亚胺复合凝聚层在相同条件下则发生稀释和崩解（图2f）。化学破坏实验进一步揭示，疏水相互作用在维持凝聚层稳定性中起主导作用，而氢键也提供了关键贡献。

图2 | 通过氢键和疏水相互作用组装抗稀释的聚丙二醇简单凝聚层。 a, 聚丙二醇-丁基聚合物的化学结构及其在水溶液中通过氢键和疏水相互作用驱动发生液-液相分离形成聚丙二醇简单凝聚层的过程。b, 聚丙二醇简单凝聚层（黄色）与稀释相（透明）分离的照片。c, 荧光素异硫氰酸酯标记的单个聚丙二醇凝聚层液滴的光漂白后荧光恢复的代表性共聚焦显微镜图像。d, 光漂白后荧光恢复分析中记录的归一化荧光强度。e, 聚丙二醇简单凝聚层在多种水环境（包括1摩尔每升氯化钠、0.1摩尔每升盐酸（pH 1）和0.1摩尔每升氢氧化钠（pH 13）溶液）中均表现出强抗稀释能力。f, 由聚丙烯酸和聚乙烯亚胺通过静电相互作用组装的传统复合凝聚层在这些水溶液中解离和稀释。d 中数据以均值±标准差表示（n = 3 个独立的凝聚层样品）。

得益于其独特的界面性质，该凝聚层展现出卓越的水下铺展和渗透能力。 在水下，聚丙二醇凝聚层在各种基底（玻璃、塑料、金属乃至聚四氟乙烯）上的接触角仅为12°至30°，远低于硅油和传统复合凝聚层（图3a）。其低界面张力（约32 mN/m，与水相比）和低表面张力（约33 mN/m）是这一优异润湿性的关键（图3b,c）。一个荧光标记的凝聚层液滴可在60秒内完全铺展在聚碳酸酯基底上（图3d）。更令人瞩目的是其超强渗透性：红色染色的凝聚层能够迅速渗入充满蓝色水的多孔聚氨酯海绵（孔径约600微米）中，将水驱替出来而不被稀释（图3e,f）；它还能在120分钟内渗入纳米级孔径的聚丙烯酰胺水凝胶深处约1.6毫米（图3g）。这种渗透能力同样在猪皮（水合-脂质混合基底，图3h）、甘油基有机凝胶（脂质基底，图3i）及多孔氧化铝陶瓷等材料中得到验证。

图3 | 聚丙二醇凝聚层独特的界面特性使其能够在水下实现基底超铺展和超渗透。 a, 聚丙二醇凝聚层、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亚胺复合凝聚层在不同基底上的水下静态接触角。b, 通过悬滴法测定的聚丙二醇凝聚层、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亚胺复合凝聚层在水中的界面张力。c, 双氨基封端聚丙二醇（数均分子量400道尔顿）、聚丙二醇凝聚层、硅油和聚丙烯酸-聚乙烯亚胺复合凝聚层的表面张力。d, 照片（侧视图）和荧光图像（俯视图）显示聚丙二醇凝聚层液滴（罗丹明B异硫氰酸酯标记）在聚碳酸酯基底上的水下铺展和润湿过程。e, 聚丙二醇凝聚层向水合多孔基底中界面渗透的示意图。Δt 表示从凝聚层开始渗透到多孔基底被渗透一定深度的时间间隔。f, 红色染色的聚丙二醇凝聚层（罗丹明B异硫氰酸酯标记）向充满蓝色染色水的多孔聚氨酯海绵中的渗透。g, 红色染色的聚丙二醇凝聚层向高度水合的聚丙烯酰胺水凝胶中的渗透。h, 红色染色的聚丙二醇凝聚层向水合-脂质杂化基底（如猪皮）中的渗透。i, 红色染色的聚丙二醇凝聚层向甘油基有机凝胶中的渗透。统计学显著性通过单因素方差分析随后进行Tukey事后检验进行多组间比较。数据以均值±标准差表示（n = 每组3个独立液体样品）。

通过负载固化剂并原位光固化，该凝聚层形成了强韧的粘合层。 由于凝聚层内部为水相环境，可高效负载高达50%（质量/体积）的亲水性丙烯酸单体及交联剂，且在水下浸泡60分钟后单体和交联剂泄漏率极低（分别为约0.14%和0.002%），保证了粘合剂的稳定性和生物相容性。紫外光照射后，单体快速聚合（约27秒），将流动的凝聚层原位转变为聚丙二醇-聚丙烯酸互穿网络水凝胶（图4a）。通过调节聚合物末端官能团（图4b），研究发现端丁基修饰的聚丙二醇形成的凝胶（PPGA-But CoaGel）具有最低的溶胀率和最高的水下粘附强度（图4c,d）。二维红外相关光谱分析揭示了该凝胶内部存在多种类型的氢键网络（图4e,f），这些氢键是抑制溶胀、增强内聚力和实现强韧水下粘附的关键。

图4 | 聚合物氢键网络决定了凝聚层介导的强韧水下粘附。 a, 固化剂负载到聚丙二醇凝聚层中以及通过光聚合原位固化形成聚丙二醇凝聚层凝胶的示意图。b, 用于凝聚层组装的三种聚丙二醇聚合物（聚丙二醇-丁基、聚丙二醇-己基和聚丙二醇-丁基）的化学式。c, 三种聚丙二醇凝聚层凝胶的水下粘附强度和溶胀率。d, 聚丙二醇凝聚层凝胶中不同程度的水溶胀：聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶的低溶胀（i）以及聚丙二醇-己基凝聚层凝胶和聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶的过度溶胀（ii）。e, 聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶（i）、聚丙二醇-己基凝聚层凝胶（ii）和聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶（iii）中的多种氢键。f, 聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶（i）、聚丙二醇-己基凝聚层凝胶（ii）和聚丙二醇-丁基凝聚层凝胶（iii）的同步傅里叶变换红外二维相关光谱。用阿拉伯数字标记的交叉峰符号指向e中所示的氢键类型。数据以均值±标准差表示（n = 每组3个独立的凝聚层粘合剂）。

该凝聚层粘合剂通过界面网络渗透在多种水合及脂质多孔基底上实现了强效粘合。 在纳米级孔径的水凝胶和微米级孔径的聚氨酯海绵上，粘合剂均能形成牢固粘接（图5a,b）。凭借这一特性，该粘合剂可成功组装包含水凝胶、有机凝胶和有机水凝胶的杂化凝胶结构（图5c），其粘附强度可达约70千帕。时间分辨实验显示，渗透深度与粘附强度同步增加，并均在10分钟后趋于稳定，证实了界面渗透对增强粘附的直接贡献。该粘合剂的实际应用潜力在多个场景中得到验证：它能有效封堵水下泄漏的管道（图5d）；可密封猪肠和猪心脏上的穿孔（图5e,f）；在猪皮上的湿态粘附强度高达约479千帕（图5g），显著优于文献中报道的多种代表性凝聚层基及水下粘合剂。在爆破压力测试中，该粘合剂在猪皮、主动脉和肠道上均表现出极高的耐受压力（猪皮上约436千帕），超越多数已报道组织密封剂（图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层粘合剂成功封闭了5毫米的胃壁穿孔，术后7天观察到伤口愈合良好，其效果优于传统缝合线和纤维蛋白胶（图5i-l）。体外细胞培养和大鼠皮下植入实验也证实了该粘合剂优异的细胞相容性和体内生物相容性。

图 5 | 基于简单凝聚层的水下粘合剂的潜在应用。 a, 聚丙二醇凝聚层粘合剂对水合或脂质多孔基底的水下粘附示意图。b, 该凝聚层粘合剂用于粘接高度水合的聚丙烯酰胺水凝胶或脂质的甘油基有机凝胶。比例尺，1厘米。c, 利用该凝聚层粘合剂，以多种聚合物凝胶（包括水凝胶、有机凝胶和有机水凝胶）作为结构单元，构建聚合物凝胶组件。d, 利用该凝聚层粘合剂对管道泄漏进行水下原位密封。e, 使用该凝聚层粘合剂密封穿孔的猪肠。f, 使用该凝聚层粘合剂密封心脏穿孔。g, 聚丙二醇凝聚层粘合剂与代表性合成凝聚层基粘合剂及其他水下粘合剂在猪皮上组织粘附性能的比较。所引用参考文献的详细信息列于补充表5中。h, 聚丙二醇凝聚层粘合剂在不同猪组织上的爆破压力比较，参考文献列于补充表6中。i,j, 在大鼠模型中，通过缝合线、纤维蛋白凝胶和原位光固化聚丙二醇凝聚层粘合剂进行胃穿孔修复研究的示意图 (i) 和实验图像 (j)；每组 n = 3 只独立大鼠。k,l, 在缝合线、纤维蛋白凝胶或聚丙二醇凝聚层凝胶治疗后第7天获取的胃部伤口的大体照片 (k) 和苏木精-伊红染色图像 (l)。j 和 k 中的白色虚线圆圈或黑色虚线圆圈表示治疗区域。本工作中 g 和 h 中的数值以均值±标准差表示（每组 n = 3 个独立的凝聚层粘合剂）。

综上所述，这项研究提出了一种受生物启发的液-液相分离策略，通过构建抗稀释、超铺展的聚丙二醇简单凝聚层，解决了水下粘合领域长期存在的关键挑战。 与依赖静电作用的传统复合凝聚层不同，该体系利用精心设计的端基官能团提供氢键和疏水相互作用，赋予了凝聚层卓越的环境稳定性、界面超润湿性以及在多种水合及含脂质基底上的超强渗透能力。该凝聚层能够富集亲水性固化剂，并通过网络渗透和界面缠结介导强韧的水下粘合。其内部的氢键网络有效抵抗了水环境的稀释和溶胀，是实现持久、强韧水下粘附的关键。该凝聚层基粘合剂在水下密封和组织穿孔修复中展现出巨大潜力，为满足工业和生物医学领域多样化的应用需求，设计高性能的水下粘合剂提供了全新的思路和平台。

来源：高分子科学前沿