近期，伟德生态功能高分子材料教育部重点实验室魏强兵副教授在多尺度聚合物分子刷的高效可控合成及应用方面取得系列进展。

聚合物分子刷是指大分子链一端以化学或物理相互作用固定在基底表面（或聚合物链）上所形成的一类特殊结构高分子材料，由于高密度分子链之间的位阻排斥使聚合物链呈高度伸展构象，形成类似于“刷子”的结构。聚合物刷作为一种强大的表面功能化改性方法，在表面科学与技术领域具有广阔的应用前景。

无机纳米粒子表面接枝聚合物刷可显著改善纳米粒子的胶体稳定性。共晶镓铟合金（EGaIn）作为一类新型生物相容的液态金属，在柔性电子器件、生物医学等方面具有广阔应用前景，但EGaIn纳米液滴制备效率低，稳定性差，针对该问题，魏强兵副教授与美国卡内基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授合作提出用聚合物刷稳定EGaIn纳米液滴的创新思路，发展了利用粘附性嵌段共聚物作为稳定剂，在多种溶剂体系中原位高效制备聚合物刷功能化EGaIn纳米液滴的全新方法（图1），与小分子稳定剂相比，聚合物刷稳定的EGaIn纳米液滴在溶剂中具有良好稳定性和干燥后再分散能力（ACS Nano, 2020, 14, 9884-9893）；此外，利用EGaIn的还原性，首次报道了EGaIn调控的原子转移自由基聚合（ATRP）方法学，揭示了EGaIn微纳米液滴在ATRP催化过程中的作用机制（Macromolecules, 2021, 54, 1631-1638），该研究为聚合物/液态金属纳米杂化材料的可控制备、溶液加工及生物电子应用奠定了基础。

图1. 聚合物刷功能化镓基液态金属纳米液滴的制备新方法

“刷”型结构生物大分子还存在于人体关节软骨表面，在关节活动中起润滑保护作用。合成亲水性聚合物刷因其高度水合效应，可以实现优异的水润滑性能，因此被认为是模仿关节润滑功能的理想仿生材料体系。骨关节炎（OA）是与关节润滑功能减退密切相关的退行性关节病，临床治疗中将透明质酸钠作为关节滑液黏性补充剂注射于关节腔内，通过改善润滑来保护关节软骨。然而透明质酸在体内易降解、价格昂贵且润滑效果有限，针对该问题，魏强兵副教授与中国科学院兰州化物所周峰/麻拴红研究员团队合作，发展了基于一步法原位接枝聚合的天然多糖基聚合物分子刷仿生润滑剂（图2），该润滑剂具有极低的摩擦系数和良好的生物相容性，在假体界面和动物软骨表面具有优异的水合润滑效果，能有效缓解大鼠的关节炎症状，并保护骨骼和软骨免受破坏，有望作为可注射生物润滑剂用于早期OA的治疗（Advanced Healthcare Materials, 2022，11, 2200090），在此基础上，以天然多糖基“刷”型聚合物/二维石墨烯非共价纳米组装体为设计理念，发展了一类新型的杂化纳米水润滑添加剂，并阐明了两者在润滑抗磨中的协同作用（Tribology International, 2021, 157, 106895）。

图2. 可注射天然多糖基聚合物分子刷润滑剂用于早期关节炎治疗

对于已经发生严重功能障碍的晚期OA患者，人工关节置换术是消除疼痛、矫正畸形、改善功能的有效方法，然而超低摩擦、高承载的人工关节置换材料仍然是该领域的主要挑战。团队提出了水凝胶-聚合物刷层状结构用于人工关节材料聚醚醚酮的表面功能化，构建了与天然关节层状结构相同且模量相近的“rigid substrate-elastic hydrogel-soft polymer brush”多层状人工关节材料（图3），实现了超低摩擦、高承载、抗磨损多功能一体化的仿生设计（Tribology International, 2023, 177, 108000）。

图3. 水凝胶-聚合物刷层状结构用于人工关节材料的多功能化改性

基于在多尺度聚合物分子刷领域的系统研究工作，近日，魏强兵副教授与中国科学院兰州化物所周峰/李斌研究员团队合作在化学领域国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（2023, e202219312）上发表了题为“Driving Polymer Brushes from Synthesis to Functioning”的综述文章，全面总结了多尺度聚合物分子刷的结构特征、先进合成方法以及其在生物润滑，抗菌/抗污染界面、生物传感、纳米液滴稳定等方面的最新研究进展（图4），并指出了聚合物分子刷精准合成和生物医学应用中存在的挑战。

图4. 多尺度聚合物分子刷的可控合成与生物应用 

以上工作得到了国家自然科学基金、甘肃省杰出青年基金等科研项目的支持。