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知识点1 — 硅链接枝模具的制备
硅链通过硅烷水解-缩合方法接枝到模具表面，标准制备程序如下：首先配制含有10 wt%二甲基二甲氧基硅烷（DMDMS）和1 wt%硫酸的异丙醇反应溶液。将经过氧气等离子体清洁的基底浸入反应溶液中10秒，然后缓慢取出。通过短暂接触滤纸去除多余的液体。模具表面在室温（23℃，60%相对湿度）下干燥30分钟，以缩合DMDMS。然后依次用水、乙醇和二氯甲烷冲洗模具。使用了不同量的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）（与DMDMS的比例；0 wt%，50 wt%，和100 wt%），不同的DMDMS缩合时间（0.5小时，3小时，和5小时），以及不同浓度的DMDMS（1 wt%，5 wt%，10 wt%，和20 wt%）以调节交联度、链长和链密度。
知识点2 — 透皮深度观测
用0.1 mg/mL的荧光素钠水溶液润湿猪皮肤，然后立即将水凝胶贴片以约10 kPa的轻微压力贴在组织上。将水凝胶-组织杂交体在室温下孵育10分钟，然后在-80℃下冷冻，然后用低温切片机（CM1950，Leica）进行冷冻切片。使用倒置显微镜（Eclipse Ti2-E，Nikon）以490 nm的激发波长获得水凝胶组织切片的荧光图像。可通过Image J分析荧光素进入猪皮肤的渗透深度。
知识点3 — X射线光电子能谱
由于其良好的生物相容性和可调节的机械性能，水凝胶已经被应用于多个领域，包括但不限于细胞培养、药物递送、组织修复、可穿戴电子设备以及水资源管理等。尽管水凝胶的应用范围广泛，但是有效地调控水凝胶表面的性质，特别是不改变整体化学组成的前提下实现这一目标仍然是一个挑战。对于许多应用而言，水凝胶表面的湿润性和生物粘附性是关键参数。传统方法往往需要修饰水凝胶的化学成分以改变表面性质，这种方法不仅复杂，而且可能影响水凝胶的其他性能。
华南理工大学的边黎明教授（通讯作者）团队提出了一种通用策略，通过基于水凝胶-基底界面动力学的网络重构（DNR）来改变水凝胶表面的湿润性和生物粘附性。研究发现，在模具基底上接枝疏水且灵活的聚合物链可以显著提高水凝胶表面网络中疏水聚合物骨架的含量，并减少极性基团的存在，从而将原本亲水的水凝胶表面转变为疏水表面。实验结果表明，具有最佳接枝密度、链长和链结构的动态疏水链对接枝后水凝胶表面网络的显著重构至关重要。分子动力学模拟进一步揭示了由动态界面相互作用引起的水凝胶网络重构的原子细节。本研究不仅为制备具有定制表面特性的水凝胶提供了重要的见解，也为理解动态水凝胶-基底界面相互作用奠定了基础，对于开发新型水凝胶材料及其应用具有重要意义。
（a）常规水凝胶制备过程的示意图及其通过DNR策略对水凝胶表面湿润性的调控。首先，在玻璃模具表面共价嫁接了柔性的疏水性硅氧烷链，生成了一个纳米尺度的具有结构动态性的聚合物涂层。在凝胶化过程中，模具基板上的嫁接硅氧烷链可以与水凝胶表面网络中的疏水聚合化碳骨架相互作用，促使它们在基板-水凝胶界面处发生构象重组和再取向。（b）使用未经处理的模具和DNR模具（嫁接有硅烷链的模具）制备了基于不同聚合物的各种水凝胶，包括PMAA（聚甲基丙烯酸）、PAA（聚丙烯酸）和PAAm（聚丙烯酰胺），并表征了常规水凝胶和DNR水凝胶的水接触角（WCA）。所获得的DNR水凝胶的模具接触面含有更高比例的疏水聚合物骨架，并显示出显著增强的表面疏水性，WCA高达约120°。相比之下，用未经处理的模具制备的水凝胶呈现亲水性，WCA约为35°。（c）常规水凝胶和DNR水凝胶经过解卷积处理后的高分辨率XPS C1s光谱。XPS光谱显示两种水凝胶存在相同的元素，但DNR水凝胶的碳含量较高。（d）PAA结构图，突出了亲水/疏水段，并统计了常规水凝胶和DNR水凝胶中聚合物段的元素含量分布。DNR水凝胶具有较高的聚合物碳骨架含量（60 at.% 对比常规水凝胶的50 at.%）和较少的羧基（40 at.% 对比50 at.%），羧基被认为是疏水段和亲水段。元素和聚合物结构含量的显著差异表明了DNR水凝胶表面发生了网络重构，并随之发展出表面疏水性。
（a）示意图和相应的原子力显微镜（AFM）图像展示了通过调整交联剂甲基三甲氧基硅烷（MTMS）的用量制备不同交联度的硅氧烷链嫁接在DNR模具表面的情况。AFM图像显示，随着交联度的增加，硅氧烷链的聚集现象加剧，这导致嫁接硅氧烷链的结构动态性降低。（b）使用具有不同硅氧烷链交联度的DNR模具制备的DNR水凝胶的WCA。随着模具表面嫁接硅氧烷链交联度的增加，DNR水凝胶的表面疏水性显著下降。（c）示意图展示了水凝胶表面网络与通过调整DMDMS的缩合时间获得的不同链长的嫁接硅氧烷链之间的相互作用。通过改变用于嫁接硅氧烷链的DMDMS的缩合时间来调整链长。（d、e）通过椭圆偏振法测定的不同链长的硅氧烷链涂层厚度，随着DMDMS缩合时间的增加，硅氧烷链的长度逐渐增加。在3小时的缩合时间下，硅氧烷链的长度达到最大值，使用这种模具表面制备的DNR水凝胶表现出最高的疏水性。（f）示意图展示了通过调整嫁接过程中DMDMS浓度获得的不同链密度的硅氧烷链与水凝胶表面网络之间的相互作用。通过在嫁接过程中改变DMDMS的浓度（从1 wt%到20 wt%）来调整硅氧烷链的密度，以操纵DNR模具的界面动态性。（g）经过处理的AFM图像显示了不同链密度的DNR模具上嫁接的硅氧烷链（灰色）的面积。（h）使用具有不同硅氧烷链密度的DNR模具制备的水凝胶的WCA。在模具表面上，硅氧烷链的密度较高（10-20 wt% DMDMS），导致链的动态性降低，进而降低了水凝胶表面的疏水性。
（a）水凝胶形成模拟在1 µs时的代表性快照。底部视图显示了为清晰起见移除模具后的聚丙烯酸（PAA）水凝胶的底面（白色虚线）。下图是放大快照，展示了PAA与模具之间相互作用的细节。虽然在微秒级模拟中PAA链迅速聚集并在两种模具上形成了水凝胶，但形成的PAA水凝胶与两种模具接触的方式有所不同。（b）PAA水凝胶与模具之间形成的界面氢键的密度。与硅氧烷链嫁接玻璃相比，PAA的羧基与未处理玻璃表面的硅醇形成了更多的氢键。（c）接触PAA水凝胶表面网络的模具表面区域的比例。由于未处理玻璃表面吸附的表面水的阻碍，PAA水凝胶网络仅附着在约一半的未处理玻璃表面（~ 40%），而PAA水凝胶网络占据了硅氧烷链嫁接表面的显著更高比例（~ 60%）。（d）接触不同模具表面的PAA水凝胶表面网络中极性成分（羧酸盐氧）的比例。在接触区域内，PAA更倾向于将其极性氧暴露给未处理玻璃而不是硅氧烷链嫁接玻璃。（e）单个PAA链在硅氧烷链嫁接模具表面上的平均平方位移（MSD）。随着受限硅氧烷链的比例从0%增加到100%，PAA链的扩散系数下降了两个数量级。（f）PAA中C75原子在四个1-µs表面扩散模拟副本中的轨迹。PAA链在未受限模具表面（0%）上的滑动运动明显大于在受限模具表面（50%和100%）上的运动。（g）单个PAA链在硅氧烷链嫁接模具上的粘附-扩散模拟的示意图快照。PAA自由端的末端碳75受到圆柱壁势的约束。（h）从100次20 ns粘附-扩散模拟计算得到的PAA的粘附概率。在所有100次运行中，PAA链在6 ns内完全粘附到0%受限模具上。然而，即使在20 ns模拟结束时，一小部分PAA链仍未能完全粘附到受限模具表面（50%受限系统中为5%，100%受限系统中为3%）。
（a）湿猪皮肤上常规水凝胶和DNR水凝胶的拉脱测试力曲线。（b）常规水凝胶和DNR水凝胶在湿猪皮肤上的黏附强度数据图。DNR水凝胶在湿润组织表面的黏附强度更强，约为30 kPa。（c）水凝胶-组织（猪皮肤）混合体在T型剥离测试中的力-位移曲线。（d）常规和DNR水凝胶在湿猪皮肤上的黏附韧性。DNR水凝胶的生物黏附性显著增强，界面韧性约为500 J/m²，而常规水凝胶的界面韧性约为300 J/m²。（e）DNR水凝胶黏附在猪心脏上的图像，可以看到在剥离DNR水凝胶时组织表面的变形，黏附性更强。（f）冷冻切片猪皮肤的荧光显微镜图像，显示了从水凝胶-组织界面扩散到皮肤组织中的界面荧光素钠溶液。（g）从荧光图像中确定的常规和DNR水凝胶中荧光素溶液的平均渗透深度。对于常规水凝胶，大量荧光素溶液残留在界面处，然后逐渐渗透到皮肤中，渗透深度约为275 μm，相比之下，疏水的DNR水凝胶表面有效地排斥了界面荧光素溶液，几乎没有荧光素渗入组织。（h）冷冻切片猪皮肤的明场和荧光图像合并，显示了DNR水凝胶在不同时间点将荧光素透皮递送到皮肤组织的情况。由于初始表面疏水性，DNR水凝胶在开始时可以排斥界面水，然后随着水凝胶表面逐渐变为亲水性，促进荧光素分子进入皮肤组织。（i、j）相比之下，常规水凝胶会被界面水膨胀，荧光素分子的扩散受到膨胀的水凝胶界面的阻碍。
在这项研究中，研究人员通过界面动力学诱导的网络重构，开发了一种具有增强生物黏附性和透皮递送能力的DNR水凝胶。这项创新解决了现有水凝胶在生物组织黏附中的挑战，特别是在湿环境中黏附性能不足的问题。
DNR水凝胶由聚丙烯酸（PAA）制备而成，通过在模具表面嫁接结构动态的硅氧烷链，诱导水凝胶表面网络的重新配置，增加了表面的疏水性。这种疏水表面能够有效排斥界面上的水分，从而增强与生物组织的紧密接触。研究结果表明，DNR水凝胶在湿猪皮肤上的黏附强度显著高于常规水凝胶，达到了约30 kPa，几乎是常规水凝胶（约11 kPa）的3倍。此外，DNR水凝胶的界面韧性也显著提高，达到了约500 J/m²，而常规水凝胶的界面韧性仅为约300 J/m²。DNR水凝胶不仅在生物黏附性方面表现出色，还展示了优异的透皮递送能力。通过荧光显微镜观察，DNR水凝胶在初始阶段能够排斥界面水，随着表面逐渐变为亲水性，促进了荧光素分子的透皮递送。相比之下，常规水凝胶由于被界面水膨胀，阻碍了荧光素分子的扩散。DNR水凝胶在1小时内表现出爆发释放，随后在20小时内持续稳定释放，累积释放率约为18%。
综上所述，这项研究为临床实践中的伤口管理和药物递送提供了重要的技术支持，并可能有助于改善患者护理和治疗结果。
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