本文介绍了一项由Hiroya Abe、Daichi Yoshihara、Soichiro Tottori和Matsuhiko Nishizawa等研究人员共同完成的研究，该研究发表在2024年的《npj Asia Materials》期刊上。研究团队来自日本东北大学（Tohoku University）的工程研究生院和跨学科科学前沿研究所（Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, FRIS）。该研究开发了一种基于贻贝启发的温度响应性水下粘合剂，具有可逆的粘附强度切换功能，适用于生物医学设备与生物界面的连接。
水下粘合剂在生物环境中具有广泛的应用前景，特别是在止血、组织粘合以及生物医学设备的连接方面。然而，现有的粘合剂在湿环境中往往需要干燥才能实现足够的粘附力，且在剥离时可能会对组织造成损伤。因此，开发一种既能实现强粘附力，又能在剥离时避免组织损伤的粘合剂成为了一个重要的研究方向。自然界中的生物，如贻贝，展示了强大的水下粘附能力，这启发了研究人员开发基于贻贝粘附蛋白的仿生粘合剂。贻贝的粘附能力主要依赖于其足部富含的儿茶酚基团，这些基团通过氢键、金属配位键和疏水相互作用实现强粘附。此外，贻贝还展示了在环境压力下可逆剥离的能力，这为开发具有可逆粘附性能的粘合剂提供了新的思路。
本研究旨在开发一种基于温度响应的水下粘合剂，能够在高温下实现强粘附，而在低温下实现温和剥离。通过结合热响应性聚合物（如N-异丙基丙烯酰胺，NIPAM）和贻贝启发的粘附分子（如多巴胺），研究人员设计了一种具有Janus结构的水凝胶粘合剂。这种粘合剂能够在高于或低于其低临界溶解温度（LCST）时表现出显著的粘附强度差异，从而实现在生物医学应用中的按需粘附和剥离。
研究分为多个步骤，包括水凝胶的设计、合成、表征以及粘附性能的测试。
水凝胶设计：研究人员设计了一种具有Janus结构的水凝胶，其顶部通过氧化多巴胺和热响应性聚合物进行交联，具有较高的机械强度；而底部则具有较低的交联密度，能够自由移动的儿茶酚分子使其能够粘附在基底上。通过控制温度，水凝胶可以在高温下变得坚韧并形成强粘附，而在低温下变得柔软并实现温和剥离。
水凝胶合成：水凝胶的合成通过氧气辅助的界面聚合反应进行。研究人员将多巴胺和含胺聚合物（如NIPAM和烯丙胺盐酸盐，AAH）在空气/溶液界面进行聚合，形成具有梯度交联结构的Janus水凝胶。通过控制氧气的扩散，研究人员能够调节水凝胶的机械强度和粘附性能。
水凝胶表征：研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对水凝胶的结构和化学性质进行了表征。结果显示，水凝胶在高温下收缩，而在低温下膨胀，表现出良好的温度响应性。
粘附性能测试：研究人员测试了水凝胶在不同温度下的粘附性能。结果显示，水凝胶在高温下（40°C）的粘附强度约为14 N，而在低温下（25°C）的粘附强度仅为0.015 N，表现出超过1000倍的粘附强度差异。此外，水凝胶在多种基底（如玻璃、钛、铝和聚四氟乙烯）上均表现出良好的粘附性能。
研究结果表明，这种温度响应性水凝胶在高温下表现出强粘附力，而在低温下能够实现温和剥离。水凝胶的粘附强度在高温下达到130 kPa，而在低温下仅为0.2 kPa。此外，水凝胶在生物环境中表现出良好的稳定性，能够在高盐浓度下保持其粘附性能。研究人员还测试了水凝胶在人体皮肤上的应用，结果显示，嵌入电极的水凝胶能够在高温下稳定粘附在皮肤上，并连续监测心电图（ECG）信号超过10分钟，而商业水凝胶电极则迅速膨胀并脱离皮肤。
本研究成功开发了一种基于温度响应的水下粘合剂，具有强粘附和温和剥离的特性。这种水凝胶通过界面聚合反应制备，具有Janus结构，能够在高温下实现强粘附，而在低温下实现温和剥离。其在生物医学设备中的应用潜力巨大，特别是在生物电信号监测和微创伤口愈合方面。该研究的创新之处在于结合了热响应性聚合物和贻贝启发的粘附分子，实现了粘附强度的可逆切换，为未来的生物医学应用提供了新的思路。
该研究不仅为开发新型水下粘合剂提供了新的思路，还为生物医学设备的连接和监测提供了新的解决方案。通过结合热响应性聚合物和贻贝启发的粘附分子，研究人员成功实现了粘附强度的可逆切换，为未来的生物医学应用开辟了新的可能性。