关键词：低共熔溶剂，共价聚合物共晶凝胶，柠檬酸（CA），甜菜碱（BE），柠檬酸 - 甜菜碱 DES

Multi-functional covalent polymer eutectogels based on deep eutectic solvents potential for sealable adhesive

Date: 1 April 2025，Article: 161269，Volume: Volume 509

https://10.1016/j.cej.2025.161269

一、研究背景

共晶凝胶基于低共熔溶剂（DES）体系构筑而成，具有优异的生物安全性，在组织工程、生物传感等医用领域展现出广阔的应用前景。然而，当前制约该类材料发展的核心瓶颈在于：调控共晶凝胶粘附性能的微观作用机制尚不明确，且缺乏同时具备超强粘附、导电特性与稳定力学性能的一体化多功能共晶凝胶体系，这限制了其在水下粘附、极端环境密封及柔性生物电子器件中的实际应用。天然衍生的柠檬酸（CA）与甜菜碱（BE）组成的绿色低共熔溶剂生物相容性良好，可通过多重分子间作用力构建界面亲和网络，是制备高粘附共晶凝胶的理想基质。

二、材料合成与表征分析

1. BE-CA低共熔溶剂（DES）的制备

以天然柠檬来源的柠檬酸、甜菜根提取的甜菜碱为原料，按特定配比溶于去离子水并混合均匀；经旋转蒸发、真空干燥除去水分后，依靠电荷辅助氢键与范德华分子间作用力自组装，形成均一透明的BE-CA低共熔溶剂。

2. 共价交联多功能共晶凝胶（DMAA-DES eutectogels）的制备

将DMAA单体、交联剂与BE-CA DES复配，得到均一前驱液；通过光引发共价交联构筑三维聚合物网络，最终获得共价键/非共价氢键双交联的DMAA-DES共晶凝胶。

3. 多尺度机理表征

A.光谱表征：利用红外、拉曼及核磁氢谱技术，验证BE与CA间氢键网络的成功构建；通过流变测试，证实凝胶具备稳定的剪切响应粘弹性。

B.分子模拟：借助量子化学计算与分子动力学（MD）模拟，定量解析分子间相互作用能，证实电荷辅助氢键与范德华力是实现超强粘附与导电性能的核心驱动力。

C.热力学测试：DSC热分析结果表明，凝胶具有宽温域稳定的理化性质，可适配极端使用环境。

三、材料核心综合性能

1、超强多环境粘附能力：凝胶界面相互作用强，兼具优异的干态粘附、水下粘附及极端条件粘附性能；搭接剪切粘附实验证实，配比为3:7的样品粘附强度可达150 kPa以上，具备密封粘接应用潜力。

2、可调力学性能：通过调控BE/CA的配比，可实现模量的精准调控（范围为20–315 kPa），力学区间与人体软组织相匹配，且形变稳定、抗疲劳性强。

3、导电与生物适配性：DES形成的连续离子通道赋予凝胶稳定的导电性；细胞相容性测试表明，材料无明显细胞毒性，满足生物医用安全标准。

4、稳定理化特性：具备高透光性、宽温域热稳定性及优异的机械耐久性，可长期稳定服役。

四、应用拓展场景

1、密封粘接材料：可直接对金属、高分子基材实现高强度密封粘接，且耐水、耐极端温度；

2、柔性粘附生物电子：可贴合皮肤表面构建心电传感贴片，稳定采集生理电信号；

3、医用组织粘附载体：凭借优异的生物相容性与软组织粘附能力，适用于组织工程及体内长效粘附传感领域。

五、作用机制与研究结论

1、粘附调控核心机制

共晶凝胶的粘附性能由两大核心因素协同决定：

A.凝胶与接触界面的分子间相互作用强度；

B.低共熔溶剂自身的热力学特性。BE-CA体系中的电荷辅助氢键与范德华力大幅提升了界面亲和能，是凝胶实现超强粘附与离子导电的微观根源。

2、整体结论

本研究以绿色天然的柠檬酸/甜菜碱DES为基质，构建了一类多功能共价聚合物共晶凝胶。通过结合量子化学模拟、谱学表征与宏观粘附实验，完整阐明了共晶凝胶粘附性能的调控机理；所得材料集成了超强干湿粘附、可调软组织匹配力学、稳定导电及良好生物相容性等多重优势，可应用于密封胶粘剂、柔性生物电子、医用组织粘附载体等领域，为高性能共晶凝胶的分子结构优化与生物医用拓展提供了完善的理论依据与实验支撑。

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