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【中國科學報】有它，撕傷口敷料再不怕疼了
文 ｜ 《中國科學報》 記者 葉滿山
在自然界中，壁虎能在垂直的玻璃上自由爬行，樹蛙能在雨林濕滑的葉片上穩(wěn)穩(wěn)附著。這些生物的“超能力”源于其快速可逆的黏附狀態(tài)切換機制。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所（以下簡稱蘭州化物所）研究員周峰團隊與西北工業(yè)大學的研究人員合作，通過仿生科學與材料技術的結合，成功解鎖了光控智能黏附材料的“新密碼”。
智能水凝膠黏附材料。蘭州化物所供圖
該成果不僅讓實驗室里的水凝膠材料擁有了“黏”與“脫”的自由切換能力，更為醫(yī)療、機器人等領域的技術革新提供了新思路。相關論文發(fā)表于《化學與生物工程》。
從壁虎腳趾到“零殘留”智能材料
“傳統(tǒng)膠帶撕下來時會疼，醫(yī)用敷料揭掉時可能二次損傷皮膚，這些痛點讓我們開始思考，能否設計一種像壁虎腳掌那樣‘按得牢、撕得輕’的智能材料？”周峰道出研究初衷。
壁虎的腳趾覆蓋著數(shù)百萬根納米級剛毛，這些剛毛通過范德華力（分子間的吸引力）牢牢吸附在任何物質(zhì)表面，無需黏性物質(zhì)即可實現(xiàn)瞬時強黏附。更神奇的是，壁虎只需改變腳趾角度，就能瞬間“解鎖”黏附力，輕松脫離。而樹蛙的腳趾則依賴微米級溝槽和自分泌黏液，在潮濕環(huán)境中保持穩(wěn)定附著，展現(xiàn)了復雜環(huán)境下的適應性。
“仿生的難點在于，生物的精妙結構和動態(tài)調(diào)控能力難以直接復制到人工材料中?！敝芊逄寡?，“比如壁虎剛毛的納米精度制造成本極高，樹蛙的黏液分泌需要復雜的生物系統(tǒng)支持?！?/span>
而人工材料往往依賴光、熱等外部刺激，響應速度和環(huán)境適應性受限。盡管挑戰(zhàn)重重，研究人員還是通過仿生結構簡化、動態(tài)聚合物開發(fā)等策略逐步實現(xiàn)類自然界的“智能黏附”。
團隊設計了一種“光控水凝膠”：將光熱納米顆粒四氧化三鐵嵌入溫敏性水凝膠基體中。當紅外光照射時，納米顆粒將光能轉(zhuǎn)化為熱能，觸發(fā)水凝膠表面分子的“隱身術”——原本暴露的黏附基團被親水性基團覆蓋，黏附力從類似醫(yī)用膠帶的9.86千帕驟降至接近無黏附的0.26千帕。最為關鍵的是，撤去光源后，材料迅速恢復高黏附狀態(tài)，且10次循環(huán)后無任何殘留。
“這就像給材料裝上了‘光控開關’，紅外光照或不照就能遠程指揮它黏住或松開?！敝芊逍蜗蟮卣f。
“小雨傘”的開與合
要理解這種材料的“魔法”，需要深入到分子層面。研究團隊將水凝膠比作“小抓手”和“小雨傘”——負責黏附的兒茶酚基團和負責保護的羧酸基團。
周峰解釋說：“我們可以想象，水凝膠表面有很多小抓手和小雨傘，紅外光負責傘的打開與閉合。當沒有光的時候，傘葉閉合，小抓手就可以抓住任何外來物體；一旦光控制傘葉打開，小抓手就被傘葉罩住，削弱了小抓手的捕獲能力?！?/span>
其中，小抓手就是水凝膠中的黏附基團兒茶酚，而傘葉就是羧酸基團。光是怎么告訴傘葉打開和關閉的呢？這與水凝膠中的四氧化三鐵納米粒子和溫敏性官能基團有關。
智能水凝膠材料可逆黏附機制示意圖。蘭州化學物理研究所供圖
納米粒子能夠吸收光，并將其轉(zhuǎn)化為熱，而N-異丙基丙烯酰胺基團能夠通過熱把自身從親水狀態(tài)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，從而降低水凝膠的儲水能力，使得一部分水從表面滲出。滲出的水誘導羧酸基團遷移到表面，也就是傘葉打開。反之，不用光照射，傘葉關閉。
實驗中，團隊意外發(fā)現(xiàn)，水分子不僅是物理屏障，還會引發(fā)表面分子構象的動態(tài)變化?！捌鸪跷覀冎豢紤]到表面水的滲出，想當然地認為高溫下表面黏附性能的削弱主要源于水分子阻隔了界面接觸。但后來發(fā)現(xiàn)，表面水的出現(xiàn)還牽扯一系列分子構象的變化，而這些變化才是影響界面黏附的關鍵。”周峰強調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)推翻了早期假設，也讓團隊對界面黏附機制有了更深理解。
光控黏附的“柔性革命”
對于智能黏附材料來說，是否經(jīng)得起可逆循環(huán)是評價其性能優(yōu)異性的標準，這與未來的潛在應用場景有關。
在醫(yī)療領域，燒傷等大創(chuàng)面深度傷口極易給患者帶來感染風險，采用水凝膠類皮膚敷料代替皮膚保護傷口是常見的防護策略。然而，常規(guī)敷料的高黏附特性在去除時會給患者帶來極大痛苦，具有按需黏附的光控水凝膠可在敷料揭除時保持低黏附，減輕患者疼痛，而在敷于傷口時則實現(xiàn)高黏附。
“想象一下，醫(yī)生只需用紅外光筆輕輕一照，敷料就能輕松脫離傷口，同時保持濕潤環(huán)境促進愈合?！敝芊迕枥L了這一場景。
此外，在機器人領域，這種材料有望成為“輕量化黏附足部”的理想選擇?！败涹w機器人需要在垂直甚至倒掛的表面快速移動，傳統(tǒng)電磁或真空吸附系統(tǒng)又重又耗能。而我們的材料僅需一束光，就能實現(xiàn)高效攀爬?！敝芊逖a充道。
柔性電子設備同樣受益匪淺。未來，智能手表或健康監(jiān)測貼片可能通過光控黏附技術實現(xiàn)“按需貼合”，既避免皮膚過敏，又能確保傳感器與皮膚穩(wěn)定接觸。
這項突破并非一蹴而就。周峰回憶，幾年前，團隊一直攻關高強韌黏附水凝膠材料，偶然發(fā)現(xiàn)一種材料在多次按壓后黏性驟降。“該現(xiàn)象引發(fā)了我們的極大興趣，經(jīng)過對材料的成分分析、機理驗證等，才知道原來在多次按壓以后，手部溫度傳遞到凝膠表面，致使凝膠發(fā)生相變，呈現(xiàn)低黏附態(tài)。”這讓團隊意識到，溫度可能是調(diào)控黏附性能的鑰匙。
智能黏附材料的光控演示。
從偶然現(xiàn)象到可控機制，團隊歷時數(shù)年驗證了光熱效應與分子遷移的協(xié)同作用?！翱茖W研究往往源于對異?，F(xiàn)象的好奇心。這次偶然發(fā)現(xiàn)提醒我們，基礎研究的價值在于為應用打開新窗口?！敝芊灞硎?，“我們正在探索更高精度的空間控制和更低能耗的響應機制，希望這種材料未來能成為智能裝備的‘柔性關節(jié)’，讓技術更貼近生命的需求。”
《中國科學報》 (2025-04-24?第3版?綜合)
