CIQTEK SEMが温度制御接着ハイドロゲルに関するAdvanced Functional Materials誌の論文掲載をサポート

福州大学の頼躍坤教授率いる研究チームは、ウェアラブルセンサー、ソフトロボティクス、組織工学、創傷被覆材といった分野における強力な接着性ハイドロゲルの喫緊の需要に応える革新的な研究を行ってきました。現在、界面接着材料は2つの大きな技術的課題に直面しています。第一に、接着状態と非接着状態の間の迅速かつ可逆的な切り替えを実現することが困難であること、第二に、多液環境における接着性能が低いことです。 最近、研究チームは、 CIQTEK走査型電子顕微鏡 。

PANC/Tハイドロゲルは、アクリルアミド（AAm）、N-イソプロピルアクリルアミド（NIPAM）、ドデシル硫酸ナトリウム／メチルオクタデシルメタクリレート／塩化ナトリウム（SDS/OMA/NaCl）からなるミセル溶液、およびリンタングステン酸（PTA）から合成されました。PNIPAM鎖とSDS間の動的相互作用により、オンデマンドの接着と剥離が可能になりました。さらにFe³⁺溶液に浸漬することで、様々な湿潤環境において強力な接着性を示すPANC/T-Feハイドロゲルが得られました。これにより、様々な湿度条件下で制御された接着と剥離を可能にする、応答性に優れたインテリジェントインターフェース接着ハイドロゲルの開発に成功しました。

この研究は、 先端機能性材料 「動的鎖間相互作用に基づく優れた湿潤接着特性を備えた温度制御可能な接着性ハイドロゲル」というタイトルで発表されました。

制御可能な接着性ハイドロゲルの合成と構造特性

PANC/T-Feハイドロゲルは、親水性AAm、両親媒性NIPAM、および疎水性OMAの共重合によって合成されます。PTAは架橋剤として機能し、ポリマー鎖のアミノ基と水素結合を形成して安定したネットワークを構築します。研究チームは、NIPAMとSDSの相互作用がハイドロゲルの温度感受性接着に重要であることを発見しました。低温では、SDSが結晶化してPNIPAM鎖に付着し、接着官能基が基質と相互作用するのを妨げ、接着力を低下させます。温度が上昇すると、SDS結晶が融解し、接着基と基質との接触が改善され、接着力が大幅に向上します。PTAは、ポリマーのアミノ基と物理的に相互作用することで高温での接着力を高めます。この相互作用は加熱によって弱まり、ハイドロゲルが軟化して接着部位が増えます。ポリマー鎖間の動的な制御により、可逆的でオンデマンドの接着が可能になります。

図 1. ハイドロゲルの合成と可逆的な湿潤接着のメカニズム。

接着性能の温度調節機構

比較実験を通じて、研究チームはNIPAMとミセル溶液の相乗効果がハイドロゲルの温度応答性接着の鍵であることを確認しました。示差走査熱量測定（DSC）の結果は、温度応答がNIPAMの下限臨界溶解温度（LCST）とは無関係であることを示していますが、SDS結晶化温度を変化させるNIPAM-SDS相互作用の影響を受けています。in situ FT-IR試験では、温度上昇により鎖間水素結合が弱まり、接着基が放出されて接着性が向上することが明らかになりました。さらに、レオロジー分析により、分子間相互作用の温度依存性変化が検証され、ハイドロゲルが硬質から柔軟へと変化することが示されました。

図2. 温度感受性接着のメカニズム研究。

オンデマンド接着と強力なウェット接着性能

PANC/T-Feハイドロゲルは、外部エネルギーを必要とせず、氷を塗布するだけでオンデマンド接着を実現します。室温（25℃）では、このハイドロゲルは柔らかく、高い接着性を示すため、ガラスから剥がす際に残留物を残さずに剥がすことは困難です。氷処理により内部の凝集力と弾力性が向上し、良好な剥離が促進され、接着強度が低下します。5℃から25℃の間で複数回のサイクル試験後も接着は安定しており、良好な可逆性を示しています。様々な環境下で制御可能な接着性を持つこのハイドロゲルは、組織治癒、材料修復、湿潤環境用アクチュエータなどにおいて大きな可能性を秘めています。

図3. 可逆的接着の性能試験。

様々な液体環境における湿潤接着性能

このハイドロゲルは液体環境でも優れた性能を発揮します。共重合体鎖には親水性と疎水性の両ユニットが含まれており、Fe³⁺処理後、これらのセグメントが表面上で移動・再配列し、水と油の両方において強力な接着力を発揮します。 CIQTEK SEM3100 研究チームは、Fe³⁺浸漬前後の構造変化を観察し、ポリマーネットワークの再配列を確認しました。NIPAMとPTAの影響に関する研究では、両者の相乗効果により、乾燥環境、水性環境、油性環境においてそれぞれ121 kPa、227 kPa、213 kPaという優れた接着力が得られることが示されました。このハイドロゲルは、ガラス、金属、木材など様々な基材に強力に接着し、様々な有機溶媒および水溶液中で良好な接着性を維持します。

図 4. さまざまな液体環境における湿潤接着性能。

図S10. Fe³⁺処理前後のハイドロゲル断面のSEM画像。ネットワークの緩みが見られる。

損傷した材料の修復性能

PANC/T-Feハイドロゲルは、損傷した材料の一時的な修復に幅広い応用が期待されています。例えば、ボート模型の漏水修復試験では、ハイドロゲルは液体の漏洩を迅速に停止し、修復されたボートは一定の重量にも耐えて漏洩が発生しませんでした。水中および油中で損傷した基板を修復する場合、ハイドロゲルはそれぞれ最大57kPaおよび49kPaの破裂圧力に耐えます。氷に塗布することで残留物を残さずに容易に除去できるため、バイオメディカルおよびスマートマテリアル用途において貴重な特性であり、大きな実用的可能性を示しています。

図5. PANC/T-Feハイドロゲルの一時修復性能。

本研究では、様々な環境下で強力な接着性と可逆的なオンデマンド接着性を特徴とするPANC/T-Feハイドロゲルの合成に成功しました。動的鎖間相互作用が接着性能に及ぼす影響を解明し、新規インテリジェント接着材料への理論的指針を提供しました。このオンデマンド接着は外部エネルギーを必要とせず、氷塗布によって実現可能であり、液体環境におけるインテリジェント接着剤の新たなアプローチを提供します。この革新的な接着性能制御は、幅広い用途への応用を可能にし、スマート接着技術を発展させ、接着関連の課題に対する新たなソリューションを提供することが期待されます。