Advanced Materials | 通过熵驱动的氢键重组实现强健湿粘的坚韧水凝胶

用于组织修复的高性能水凝胶应同时提供机械强化和界面粘附。然而，传统的强化策略通常依赖于网络内的氢键，氢键固有的键合能量和有限的构型自由度本质上限制了界面上的链迁移率，最终削弱了湿粘附。为克服氢键分布带来的强度与粘附权衡，本研究提出了一种熵驱动策略，通过解耦氢键的空间分布，同时实现高体积强度和坚固的湿粘附。从构象无序且高熵的混合物开始，氢键随后通过有利于熵的重构在整体中集中，以强化网络。体界面的能量和构象错配反过来触发局部相分离，降低界面熵，形成氢键耗尽的纳米约束水层。该层允许聚合物-组织氢键动态结合，实现坚固的湿粘附而不损失体积强度。所得水凝胶能迅速贴合组织表面，形成高模量结构（约13兆帕），能承受高达368毫米汞柱的静水压力。它实现了超越生理极限的密封，并保持稳定的粘附，展示了在皮肤损伤、口腔黏膜溃疡和心脏出血模型中的有效修复。

图1

HEBH 的设计概念、相分离结构和多组织适应性。(a) 块体材料强度与界面粘附性之间固有权衡的示意图。(b) 由熵驱动的氢键重组和相分离导致 HEBH 形成的示意图。(c) 模拟生理压力的静水密封装置（p=ρgh），压力可达到相当于水柱高度 5 米（368 mmHg）。(d) 代表性的生物情景，包括皮肤封闭、黏膜粘附以及高流量心脏止血，展示了 HEBH 广泛的功能适应性。

传统水凝胶要么硬但不粘，要么粘但不牢，这个问题一直让人头疼。原因在于，想靠增加氢键来提升强度，结果反而把分子链的活动空间给锁死了，到了湿润的组织表面根本贴不牢。这篇研究提出了一种“熵驱动”的新思路：先把PEGDA、明胶和水加热成高度无序的高熵混合液，再通过光照交联，让氢键自发往内部富集，同时发生局部相分离。最终形成一种刚柔并济的双相结构——内部是致密的PEGDA网络，提供约13兆帕的高模量；而在接触组织的界面上，氢键被“排空”后形成一个纳米限域水层，分子链得以自由活动，动态地与组织形成氢键粘附。这样一来，强度与湿态粘附就不再是对立面了。

在这种设计下，水凝胶能承受368毫米汞柱的静水压，远超人体动脉的生理极限。在跳动的大鼠心脏切口和兔心室穿刺模型中，它几秒就能光交联封堵，耐受周期性高压射血而不脱落；在湿润、多酶的口腔黏膜溃疡模型中，它也能稳定贴附，加速愈合。皮肤全层缺损实验进一步证实，它兼具力学适配与组织再生能力，愈合效果明显优于纯PEGDA或纯明胶。整个研究不靠任何化学锚定，只靠物理熵控就实现了强韧与粘附的兼得，为下一代组织密封胶提供了一个全新的设计方向。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.73182