近日，华南理工大学轻工科学与工程学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室付时雨教授团队受贻贝共价与物理协同粘附策略及蜘蛛网界面捕水机制的启发，设计并制备了一种超薄聚丙烯酸（PAA）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）/纤维素纳米晶（CNC）复合水凝胶（PNCGels）胶带。该PNCGels胶带采用干法交联模式，使水凝胶中的羧基能在5秒内快速与组织表面形成氢键等物理相互作用。随后，接枝于PAA的NHS酯基团与组织中的伯胺基团发生共价结合。此外，CNC纳米填料通过重构动态氢键网络增强内聚强度，从而平衡粘附性能，确保即使在汗液存在时仍能保持稳定粘附。最终研发的PNCGels胶带展现出卓越的耐磨性（厚度仅250 μm）、优异的粘附性能（粘附强度128kPa）和良好的机械性能（拉伸强度1400kPa）。其超薄特性、高韧性及耐湿性粘附的综合优势，为智能伤口敷料（止血、按需移除）和运动传感技术等先进应用提供了革命性平台。

图文解读

1、PNCGels水凝胶胶带的制备

通过AA、NHS酯与CNC的共聚，成功制备了厚度仅200 μm的超薄水凝胶膜。该胶带以干燥薄膜形式储存，遇水后能迅速与皮肤形成紧密粘附，表现出优异的机械性能。结构表征显示，水凝胶呈致密蜂窝状，CNC的加入提升了交联密度，FTIR与XPS分析证实NHS酯与CNC成功引入体系中。

图1. 汗液适应性粘性水凝胶贴片的设计与机制。（a）PAA/NHS/CNC水凝胶贴片的设计策略及其交联网络结构。（b）PAA/NHS/CNC水凝胶贴片展现出优异的拉伸性和强度。（c）与传统粘性水凝胶相比，其在潮湿环境中具有强韧稳定的粘附性能。（d）干交联机制：通过水合作用干燥界面水分，干态PAA/NHS/CNC水凝胶贴片发生溶胀，PAA/NHS链与CNC链上丰富的–OH基团通过氢键形成临时交联；（e）共价交联：涉及NHS酯基与组织胺基之间共价键（酰胺键）的形成。（f）CNC可作为牺牲键有效耗散能量，从而需要更高的断裂能。牺牲键的断裂及随后裂纹能量的耗散阻碍了裂纹在水凝胶网络中的扩展，使聚合物网络能够抵抗断裂。

图2. 汗液适应性粘性水凝胶胶带的微观结构表征。（a）CNC、PNGel和PNCGel胶带的透射FTIR光谱。（b）PAA水凝胶（PGels）的XPS光谱。（c）PAA/NHS水凝胶（PNGels）的XPS光谱。（d）PGels（左）、PAA/NHS水凝胶（中）和PNCGels（右）的SEM图像。

传统水凝胶依赖氢键等非共价作用，易受界面水干扰。该研究采用“干燥交联”机制，通过水凝胶快速吸水和溶胀去除界面水，并借助NHS酯与皮肤表面胺基形成共价酰胺键。共价与非共价作用的协同，实现了在潮湿环境下的强效粘附。实验显示，胶带在湿猪皮上的剪切应力达128 kPa，界面韧性为460 J/m²，显著优于多数现有皮肤用水凝胶。

图3. 水凝胶胶带的粘附性能测试。（a）基于标准拉伸剪切试验（ASTM F2255）的剪切强度测试。测试数码照片（左）、拉伸模型（中）、测试曲线及计算公式（右）。（b）基于标准T-Peel试验（亦称180度剥离试验，ASTM F2256）的界面韧性测试。测试数码照片（左）、拉伸模型（中）、测试曲线及计算公式（右）。（c）水凝胶胶带粘附湿猪皮时剪切强度与界面韧性随压制时间变化曲线。（d）水凝胶胶带粘附湿猪皮后剪切强度与界面韧性随压制时间变化曲线。（e）PGel、PCGel、PNGel、PNCGel胶带粘附性能对比。（f）PGel、PCGel、PNGel、PNCGel胶带通过常规粘附机制（左）与干交联机制（右）的粘附性能对比。（g）PGel与PNCGel胶带在潮湿环境下的粘附性能对比。每个数据点均进行三次平行实验，最终结果以均值±标准差表示（n=3）。

CNC通过氢键与PAA/NHS聚合物链形成物理交联网络，作为“牺牲键”耗散能量，提升水凝胶的内聚力与韧性。流变与拉伸测试表明，随CNC含量增加，储能模量与拉伸应力显著上升，断裂能提高。DFT计算进一步证实CNC与聚合物间存在强氢键作用，体系自由能在低CNC含量时下降，说明其增强系统稳定性的作用。

图4. 水凝胶胶带的力学性能。（a）CNC含量对水凝胶胶带储存模量（左）和损耗模量（右）的影响。（b）不同CNC含量水凝胶胶带的拉伸应力-应变曲线及其对应参数。（c）拉伸应力，（d）拉伸应变，（e）弹性模量变化趋势。（f）生物组织的弹性模量差异显著，从几千帕到数百兆帕不等，具体取决于组织类型。（g）CNC-PAA/NHS的自由能。每个数据点均进行三次平行实验，最终结果以均值±标准差表示（n=3）。

通过小鼠成纤维细胞（L-929）培养实验，即使在高浓度水凝胶提取物（10 mg/mL）下，细胞活力仍高达92.1%，活/死染色显示绝大部分细胞存活。动物伤口愈合实验进一步表明，PNCGel胶带在促进伤口闭合方面优于商业3M医用胶带，具备良好的生物相容性与潜在临床应用前景。

图5. （a）L-929细胞经PNCGels提取物孵育24小时后，活/死细胞染色的代表性图像（上图，比例尺：100 μm）。（b）L-929细胞与PNCGels提取物共培养24小时后的细胞存活率。每个数据点均进行五次平行实验，最终结果以均值±标准差表示（n=5）。

PNCGel胶带可作为非粘附性导电水凝胶传感器与皮肤之间的粘接层，在干/湿皮肤上均能实现稳定附着。传感器在关节弯曲、握拳、吞咽等动作中表现出快速响应与恢复特性，且在运动出汗后仍能持续输出稳定信号。与传统导电胶带相比，PNCGel在潮湿环境下具有显著优势，适用于动态、易出汗场景下的生理信号监测。

图6. PNCGel贴附于皮肤的传感器传感性能。关节与肌肉运动的灵敏检测：连续弯曲与释放过程中的相对电阻变化。（a）PNCGel贴片可作为水凝胶传感器与人体之间的粘附层，适用于运动相关场景。（b）肘部弯曲，（c）握拳动作，（d）吞咽动作。（e）附着PNCGel贴片的传感器响应速度。（f）不同应变下伸展-释放循环的传感器 ΔR /R0值，（g）不同拉伸速度。（h）干燥与湿润条件下，使用PNCGel贴片与传统导电贴片贴附于皮肤的传感器动态应变传感曲线。（i）不同运动时间后，PNCGel贴片贴附于汗湿皮肤的传感器动态应变传感曲线。

研究总结