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知识点1 — 本研究离子凝胶的制备原理和作用机制
1. 通过原位光交联聚合柠檬酸/L-(-)-肉碱（CAC）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）的混合物制备离子凝胶。由于大量的氢键位点，在溶剂和聚合物链之间形成了致密的超分子网络，产生了坚韧的离子凝胶（CAC含量：45 wt%)，可以承受11千克的重量；
2. 所制备的离子凝胶通过超分子氢键相互作用与组织表面形成物理交联，以实现机械匹配的坚韧黏附，并通过加热/冷却改变可逆氢键实现可逆黏附过程。
知识点2 — 为何该离子凝胶兼具高强度和高粘附能力？
内聚能取决于聚合物内部的相互作用，而黏附能取决于聚合物与界面的相互作用。协同的凝聚力和界面能使黏附更有效。该离子凝胶内聚能Eionogel（-5672.78 kcal/mol）和界面相互作用能Eionogel/SiO2 (-4332.43 kcal/mol）的数值比较接近，说明离子凝胶内聚能和界面能得到了有效平衡，解释了离子凝胶具有良好黏附性能的机理。
知识点3 — 离子凝胶如何实现黏附强度的可逆调节？
由于离子凝胶中存在大量活性位点（羧基、羟基），离子凝胶可以与富含硅羟基的玻璃基板形成强分子氢键相互作用，同时由于离子凝胶的温度敏感性，其黏附强度可以通过温度来调节。在-20 °C时，在玻璃基板上的粘附强度可达15.6 MPa。随着温度的升高，在85 °C时，粘结强度下降到0.5 MPa，可以通过加热和冷却进行粘接和脱粘。
当CAC中的水含量增加时离子凝胶与基板的界面相互作用能显著降低，也能为离子凝胶的温和剥离提供帮助。同时，经过5个循环的黏附试验，在玻璃基板上的黏附没有出现明显的疲劳和衰减现象，说明离子凝胶粘合剂具有良好的可重复使用性。
离子凝胶由具有三维网络结构的聚合物材料和作为分散介质的离子液体组成。在实际应用中，离子凝胶由于缺乏能量耗散机制，通常存在强度低、变形能力差和对裂纹扩展敏感的问题，这严重影响了它们的使用寿命和使用范围。尽管已经广泛研究了各种方法，但是难以平衡内聚能和界面黏合能以获得具有高机械强度和高粘合强度的可逆粘合剂。在本研究中，苏州大学材料与化学化工学部李维正教授团队和苏州大学材料与化学化工学部严锋教授团队联合南京大学化学化工学院Wang Xiaoliang教授团队开发了一种基于生物相容性柠檬酸/L-(-)-肉碱（CAC）的离子液体作为溶剂，以制备用于可逆工程粘合剂和生物粘合剂的坚韧和高粘合强度的离子凝胶。柠檬酸（CA）被广泛应用于食品行业，L-(-)-肉碱（LC）是一种类似维生素的水溶性分子，在调节代谢中起重要作用。因此，CAC具有足够的生物相容性，所制备的离子凝胶表现出良好的机械性能，包括拉伸强度、杨氏模量、韧性和在玻璃基底上的高粘合强度。
将CAC和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）的混合物聚合成离子凝胶。由于氢键位点丰富，溶剂和聚合物链之间形成了致密的超分子网络，形成了坚韧的离子凝胶（CAC含量：45 wt%），可承受11 kg的重量。制备的离子凝胶有效地平衡了分子间结合能和界面黏附能，与基地形成强黏附，并通过周期性的加热和冷却实现黏附和分离的可逆过程。离子凝胶可以通过氢键相互作用与组织表面形成物理交联，实现机械匹配的强附着力。最后，由于可逆氢键被破坏，离子凝胶可以在需要时被盐水溶液温和地分离。
（a）具有不同CAC含量的离子凝胶的单调拉伸应力应变曲线。随着CAC含量降低，片段的应变能力降低，离子凝胶的强度提高。即使在14.3 MPa的高抗拉强度下，它们也被拉伸了7倍于初始长度。（b）离子凝胶的相应杨氏模量（弹性模量）和韧性。不同CAC含量的离子凝胶的弹性模量和韧性具有较大的可调范围，表明聚合物链与CAC具有良好的相互作用。（c）离子凝胶的裂纹扩展应变和相应的断裂能。由于聚合物网络的非共价交联，离子凝胶对裂纹扩展不敏感。（d）应变为500、2000和3000%的缺口离子凝胶照片。随着CAC含量的增加，离子凝胶的抗裂纹扩展能力增强。当CAC含量为70 wt%时，缺口状离子凝胶试样拉伸至其初始长度的30倍（e）离子凝胶自愈过程的照片。离子凝胶在25 °C下10分钟可自愈。聚合物链在间隙界面处的扩散和再缠结，以及动态可逆键的重排，协同促进了自愈过程。（f）原始样品和自愈合样品的单调拉伸应力－应变曲线的比较。愈合离子凝胶的机械性能（应力和应变）在10分钟后几乎完全恢复。（g-I）制备的离子凝胶和报道的代表性凝胶之间的比较：断裂应力与断裂应变的关系（g），韧性与断裂应力的关系（h），以及杨氏模量与断裂应力的关系（I）。上述结果表明，超分子氢键网络中可逆的动态超分子相互作用使离子凝胶在断裂后能够快速自愈，重新配置了稳定的超分子网络，提高了材料对环境的适应性。
（a）离子凝胶和玻璃基板之间的黏附机理示意图。由于丰富的羧基和羟基，离子凝胶可以与富含硅羟基的玻璃基板形成强相互作用（b、c）离子凝胶的黏附试验。超强附着力使离子凝胶（附着面积：2.0 × 2.0 cm2）能够承载（b）两个水桶（50 kg）或（c）成人（约52 kg）的重量。同时发现离子凝胶的粘附强度与离子液体（IL）含量有关，IL含量为45 wt%时黏附力最高，达到24.4 MPa（d）环境条件下离子凝胶在各种基材上的粘附强度。由于离子凝胶中存在大量活性位点和底物的高表面能，离子凝胶具有良好的粘附性。同时基材上官能团和粗糙度的差异，电离层凝胶在亲水表面表现出更强的附着力。（e）不同温度下（20-85 °C）离子凝胶在玻璃上的粘附强度。在-20 °C时，在玻璃基板上的粘附强度可达15.6 MPa。随着温度的升高，在85 °C时，粘结强度下降到0.5 MPa，可以通过加热进行粘接和脱粘。（f）离子凝胶（离子液体含量为45 wt%）在玻璃基材上的连续循环黏附试验。经过5个循环的黏附试验，在玻璃基板上的黏附没有出现明显的疲劳和衰减现象，说明离子凝胶粘合剂具有良好的可重复使用性（g）离子凝胶在各种有机溶液中浸泡24小时后的粘合强度。在这些溶液中浸泡24小时后，离子凝胶在玻璃基板上的粘附强度至少可以保持其初始值的87%（h）比较制备的离子凝胶和报道的代表性凝胶之间的粘附强度，离子凝胶的粘附强度超过上述所有材料。
（a）苏木精伊红（H&E）染色的代表性组织学图像，用于评估离子凝胶在小鼠皮肤和伤口上的生物相容性。标尺刻度：100 μm。与对照组（完整皮肤组织和伤口假手术）相比，离子凝胶黏附后无明显炎症反应，表明离子凝胶具有良好的生物相容性。（b）湿猪皮上离子凝胶的界面韧性。离子凝胶黏合剂与猪组织具有很强的粘附性（约191.1 J/m2)，该值与生物组织界面相容，说明离子凝胶与湿组织具有良好的粘附性。(c）离子凝胶使离体猪肺瞬间封闭的照片。在模拟呼吸过程中，离子凝胶不会脱落，并且在不需要时可以无害地分离。（d）在模拟心脏移植过程中，一颗离体猪心脏被两种离子凝胶粘合剂良性抬起和放下的照片。这两个模拟实验表明，制备的离子凝胶黏合剂可以有效地与生物组织形成强黏附，并且可以在需要时轻松、温和地分离和去除，为临床治疗提供了有效的治疗策略。（e）离子凝胶作为ECG（心电图）皮肤电极的照片。（f）离子凝胶电极记录的心电信号（0和24 h)。（g) 30 ~ 34 s的心电信号放大图，其中P、Q、R、S和T波清晰可见。连续磨损24 h后，心电信号仍保持原有质量，无任何衰减，所制备的离子凝胶具有优异的机械性能、强组织粘附性、固有导电性和生物相容性，是皮肤电极高保真捕获各种电生理信号的良好候选者。
该研究强调了利用基于CAC的超分子离子液体构建了一个强大的三维聚合物网络结构，平衡了分子内聚能和界面黏附能，制备了坚韧且高黏附强度的离子凝胶。这种可逆的动态物理交联使离子凝胶具有裂纹扩展不敏感、自愈和可循环利用的特性。此外，通过温度和水调节可以实现离子凝胶的双可逆黏附，扩大了其在工程和生物工程中的应用。这种离子凝胶在湿组织表面上具有很强的粘附性和机械匹配的能力，并且在需要的时候可以用生理盐水无害地分离。离子凝胶的这一特性使其在临床应用中具有很高的优势，包括组织伤口黏附和器官的非破坏性转移。
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