怎么讓各種醫(yī)療儀器附上一層足夠厚又耐用的水凝膠涂層？

做過胃腸鏡和插過導(dǎo)尿管的人都會(huì)知道，硬塑料橡膠在人體柔軟組織中拖動(dòng)摩擦所帶來的痛苦。而且，導(dǎo)尿管等醫(yī)療器械表面容易粘附細(xì)菌、生長(zhǎng)異物。這些問題困擾著全球幾千萬人。水凝膠柔軟多水，表面光滑抗菌，是和人體接觸的最好界面?？墒窃趺醋尭鞣N醫(yī)療儀器，例如導(dǎo)尿管、內(nèi)窺鏡等附上一層足夠厚又耐用的水凝膠涂層？該問題一直是醫(yī)療儀器和軟材料領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

MIT趙選賀團(tuán)隊(duì)在2015年首次提出了水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理 （圖1a Nature Materials15， 190-196 （2016））： 水凝膠本體要足夠堅(jiān)韌和有耗散性，而且水凝膠和黏附物間要有足夠強(qiáng)的鏈接。使用該機(jī)理，趙選賀團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)了水凝膠和各種醫(yī)用塑料橡膠材料的堅(jiān)韌粘附 （圖1b Nature Comm 7， 12028 （2016））， 并在2017年首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)簡(jiǎn)單形狀醫(yī)療儀器的堅(jiān)韌水凝膠涂層 （Advanced Healthcare Materials 6， 1700520 （2017））?？墒轻t(yī)療儀器通常都有復(fù)雜的形狀，其內(nèi)外表面都可能不平整 （圖1c）。

圖1 a水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理； b水凝膠和各種醫(yī)用橡膠材料的堅(jiān)韌粘附；c復(fù)雜形狀橡膠/塑料制品

在復(fù)雜形狀醫(yī)療儀器上如何實(shí)現(xiàn)柔軟、耐用和足夠厚的水凝膠涂層（圖1c）MIT趙選賀團(tuán)隊(duì)和華中科技大學(xué)臧劍鋒團(tuán)隊(duì)合作給出了答案： 讓復(fù)雜醫(yī)療儀器表面長(zhǎng)出一層可控厚度的柔軟耐用的水凝膠皮膚。論文發(fā)表在Advanced Materials上（1807101 （2018）），華中科技大學(xué)臧劍鋒團(tuán)隊(duì)青年教師喻研，MIT博士生Hyunwoo Yuk，German Parada為論文共同第一作者，MIT趙選賀教授為論文通訊作者。

現(xiàn)有的方法例如浸漬涂布法等很難得到均勻厚度的水凝膠涂層，不適用于醫(yī)療儀器內(nèi)表面和復(fù)雜表面。合作團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)全新的方法。他們將現(xiàn)有的醫(yī)療儀器材料 （硅橡膠，聚氨酯，聚氯乙烯，丁腈橡膠，乳膠等）的表面10~100微米通過等離子處理和溶脹滲透變得稀疏親水。然后讓水凝膠在這10~100微米的變性層中生長(zhǎng)，形成天然的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠結(jié)構(gòu) （圖2）（注：雙網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)韌水凝膠由Jianping Gong教授提出，并非本工作原創(chuàng)， Advanced Materials 15，1155，（2003））。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠堅(jiān)韌有耗散性，同時(shí)水凝膠層和醫(yī)療儀器間保持了強(qiáng)鏈接，符合水凝膠堅(jiān)韌粘附的機(jī)理 （圖1a Nature Materials 15， 190-196 （2016））。

圖2 水凝膠皮膚生長(zhǎng)機(jī)理

該方法可以讓市面上買到的醫(yī)療儀器表面直接長(zhǎng)出柔軟耐用的水凝膠皮膚，簡(jiǎn)單、實(shí)用、安全、高效。另外水凝膠皮膚可以在干燥的狀態(tài)下儲(chǔ)存，使用前直接潤(rùn)濕， 不影響效果。

該方法既可以在宏觀尺度的具有復(fù)雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚，也可以在微觀尺度的具有復(fù)雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚。如圖3a所示，我們?cè)诶迕壮叽绲摹鞍私氰旒堋毙喂柘鹉z上均勻制備了一層水凝膠皮膚。并且，如圖3b所示，我們?cè)诰哂形⒚准?jí) “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備了一層水凝膠皮膚（通過對(duì)水凝膠皮膚進(jìn)行綠色染料的擴(kuò)散，可以清楚地看到整個(gè)表面被水凝膠皮膚完全覆蓋）。

同時(shí)，該方法還能夠便捷地對(duì)水凝膠皮膚的厚度和粗糙度等進(jìn)行控制，從而滿足不同的應(yīng)用需求。我們僅僅通過在“單體水溶液”中添加/不添加微量鏈轉(zhuǎn)移劑（其它工藝完全一致），就可以得到厚度和粗糙度具有顯著區(qū)別的水凝膠皮膚（如圖3c，d）。

圖3 a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡膠上均勻制備的水凝膠皮膚；b在具有微米級(jí) “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備的水凝膠皮膚；c薄且較光滑的水凝膠皮膚；d厚且較粗糙的水凝膠皮膚

這種水凝膠皮膚層比橡膠表面要柔軟很多。對(duì)比圖4a（橡膠表面彈性模量）和圖4b（水凝膠皮膚表面彈性模量），可以看出，水凝膠皮膚的表面彈性模量?jī)H僅只有橡膠表面的約1/70。并且，從宏觀上看，水凝膠皮膚基本不會(huì)改變橡膠的拉伸模量。這說明該水凝膠皮膚只是改變了橡膠表面的柔軟性，并沒有影響橡膠整體的性能和功能（如圖4c）。

圖4 a橡膠表面彈性模量；b水凝膠皮膚表面彈性模量；c制備水凝膠皮膚前后，橡膠的整體硬度對(duì)比；d摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化對(duì)比；e摩擦系數(shù)隨時(shí)間的推移對(duì)比；f水凝膠皮膚被長(zhǎng)時(shí)間摩擦前后對(duì)比

同時(shí)它在水中具有極其優(yōu)異的耐摩擦磨損性能。一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會(huì)隨壓強(qiáng)的增大而升高（如圖4d）。另一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會(huì)隨摩擦?xí)r間的增長(zhǎng)而升高（如圖4e）。這主要是由于水凝膠皮膚具有非常優(yōu)異的保水性能和抗磨損性能（見圖4f）。另外，水凝膠皮膚層還具有非常優(yōu)異的抗菌潛力。我們證明了大腸桿菌極難在水凝膠皮膚表面生長(zhǎng)和附著（如圖5a，b）。

圖5 a，b 抗大腸桿菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于該方法不僅可以采用光引發(fā)方式制備，也可以采用熱引發(fā)方式制備。所以，可以在高分子管道的外壁和內(nèi)壁都均勻地制備水凝膠皮膚，比如圖6a所示的醫(yī)用心肌導(dǎo)管外壁以及圖6b所示的商業(yè)聚氯乙烯管道的內(nèi)壁和外壁。該方法還能在很多不規(guī)則形狀的商業(yè)醫(yī)用管狀器械上制備水凝膠皮膚，比如圖6c的氣囊導(dǎo)尿管。

圖6 在不同商業(yè)橡膠/塑料制品上制備水凝膠皮膚

人體器官（例如大腦、脊髓、心臟、肌肉、皮膚等）大多是由水凝膠組成的——柔軟多水有生物活性。和人體接觸的現(xiàn)代機(jī)器 （例如導(dǎo)尿管、內(nèi)窺鏡、血管支架、起搏器、電極等）大多是由金屬、硅、陶瓷、玻璃、塑料等組成的——堅(jiān)硬干燥無生命。人體和機(jī)器間的不相容甚至互相矛盾的材料特性，是影響健康和生命的重大問題之一。MIT趙選賀團(tuán)隊(duì)提出用水凝膠作為界面更好的融合人體和機(jī)器 （圖7）。他們?cè)诮诰C述《水凝膠生物電子學(xué)》（DOI：10.1039/C8CS00595H）中系統(tǒng)定義了水凝膠人機(jī)界面的基本原理和材料設(shè)計(jì)原則，并建議了未來發(fā)展的方向。本工作是水凝膠作為人體和醫(yī)療儀器理想界面的例子之一。

圖7 水凝膠人機(jī)界面