粘合剂，登上Science正刊！

发表时间：2024-08-23

作者：易智学术

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聚合物粘合剂在消费品、工业和医疗产品中发挥着关键作用，其成分和性能多样化，满足不同应用需求。然而，大多数现有粘合剂的性能通常针对特定用途，难以通用，且多来自不可再生资源，不利于环保。理想的粘合剂应在各种环境下表现出色，并由可持续原料制成，适合闭环回收。研究发现，(R)-α-硫辛酸（αLA）聚合物在多种环境中具有应用潜力，并可闭环回收，但在某些条件下易自发解聚。为解决此问题，急需开发了一种无催化剂的 αLA 聚合方法，产生了更稳定且具广泛用途的聚合物。

在此，美国加州大学伯克利分校Phillip B. Messersmith教授课题组报告了一系列稳定的 αLA 聚合物粘合剂，可针对各种医疗或非医疗用途进行定制，并以闭环方式可持续采购和回收。单体成分的微小变化提供了在干燥和潮湿条件下均能良好发挥作用的压敏粘合剂，以及强度与传统环氧树脂相当的结构粘合剂。 αLA 手术强力胶成功密封了小鼠羊膜囊破裂，将胎儿存活率从 0% 提高到 100%。相关成果以“Recyclable surgical, consumer, and industrial adhesives of poly(α-lipoic acid)”为题发表在《Science》上。

通过 αLA 单体的化学改性实现 αLA 聚合物的快速聚合和链端稳定

本文通过控制单体化学成分，成功实现了在环境温度下快速溶液聚合水稳定性聚合物。研究表明，α-硫辛酸 (αLA) 在磷酸盐缓冲液中的解聚是其应用的关键挑战。为解决这一问题，作者引入了N-羟基琥珀酰亚胺 (NHS) 酯（图1A），稳定聚合状态并防止闭环解聚。实验表明，NHS酯不仅能稳定αLA聚合物的链端，还能加速聚合过程。此外，其他活化的亲电官能团也能稳定αLA聚合物。通过将αLA和S1或S2的乙醇溶液加入水中，产生了具有弹性和稳定性的粘合剂聚合物（图1C），适用于医疗、压敏和结构粘合剂的多种应用。

图 1. 单体结构和前体溶液聚合的一般方案

作者通过水聚合制备了稳定的αLA聚合物薄膜（图2A），并通过应力-应变测试评估了其机械性能。结果显示，聚合物可拉伸至原长度的10倍以上而不破裂，具有较高的粘弹性和自修复能力（图2B-D）。这些聚合物展现出作为外科强力胶的潜力，作者开发了几种αLA强力胶的配方，包括喷涂、刷涂和固体贴片形式。低粘度的αLA溶液可在潮湿表面上快速聚合形成薄膜，而无溶剂的液体配方可在接触水后迅速固化，产生粘性聚合物。

图 2. S1 稳定的 αLA 聚合物的整体机械性能

αLA 强力胶的离体和体外测试

作者研究了αLA基粘合剂的组织粘合性能，发现其喷涂、刷涂和贴片配方（如αLA-MS2、αLA-MS3、αLA-MS4）在湿牛心包和其他组织上表现出优异的粘合强度，尤其是αLA-MS2在孵育24小时后，剪切强度优于现有医用级强力胶Dermabond（图3A）。此外，αLA粘合剂在离体实验中成功密封了猪胃切口，显示出良好的防渗漏效果（图3D、E）。体外测试表明，这些粘合剂具有低细胞毒性、抗炎特性和抗菌性能（图3G），并在3周内逐渐降解（图3F），使其成为有效且生物相容的外科密封剂。

图 3. αLA 强力胶的离体和体外表征

胎膜穿刺的体内修复

研究表明，使用αLA粘合剂预密封胎膜可以显著减少胎膜早破（PROM）并提高胎儿存活率。在妊娠第15天进行的动物实验中，将αLA贴片成功粘附在胎膜上，未出现炎症或异物反应（图4A）。与未密封的对照组相比，预密封胎膜的羊水流失量减少了近50%（图4C），并且在穿刺后的胎儿存活率显著提高，从0%提升至100%（图4D）。这些结果表明，αLA粘合剂能够有效防止胎膜穿刺引起的羊水流失，并具有潜在的自愈能力，提供了一种可能延长妊娠的手术策略。

图 4. αLA 强力胶作为胎膜密封剂的体内生物学性能

作为压敏粘合剂的稳定 αLA 聚合物

压敏粘合剂（PSA）广泛应用于消费品和工业产品中，但传统PSA的局限性在于其在潮湿环境中的性能和不可回收性。稳定的αLA聚合物PSA通过在PET背衬上添加S2单体，并加热至100°C，形成持久的粘弹性薄膜，在干燥和水下环境中都表现出优异的粘附性能（图5A、5B）。此外，稳定的αLA聚合物不仅在性能上优于传统PSA，还能通过化学回收恢复为高纯度单体原料（图5F、5G），展示了其在可持续性和再利用方面的巨大潜力。同时，稳定的αLA聚合物作为结构粘合剂（αLA-SA）在粘合强度和耐水性上也优于传统材料，并且可以通过温和加热进行再加工（图5D、5E），有望替代环氧树脂等热固性材料。

图5. 稳定αLA粘合剂的压敏和结构粘合剂性能以及生命周期图

小结

这项工作解决了长期困扰αLA聚合物转化的问题，成功开发出可回收的粘合剂，适用于医疗、消费品和工业应用。通过亲电改性（如S1或S2），αLA聚合物在室温下的聚合得以加速，并且稳定性增强，防止了解聚，拓展了αLA粘合剂的多样化应用。特别是在外科强力胶领域，αLA聚合物能与湿组织迅速粘合，其机械和生物性能优于现有的医用氰基丙烯酸酯。此外，αLA聚合物PSA和SA的性能与市售粘合剂相当或更优，且易于在水性介质中回收，实现循环经济的优势。

来源：高分子科学前沿

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