【材料】刺激响应水凝胶实现含羞草启发的应激响应行为- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-04-07

导读：东华大学武培怡/雷周玥团队设计了一种差异化氢键网络交联的水凝胶，成功地仿效了含羞草叶柄中伸肌细胞和屈肌细胞的协同作用机制，实现了多模态、多路径的应激响应行为。

应激响应是生物体中一种复杂而多样化的反应机制，其由多个细胞和组织之间协同作用，可产生多样的反应路径和状态。例如，含羞草在受到外部刺激时会迅速关闭叶片以抵御环境威胁，并在一定时间后自主重新展开。这一奇特的反应机制得益于含羞草叶柄中伸肌细胞和屈肌细胞的协同作用。那么，有无可能通过模拟这种生物体的反应机制来设计出具有应激响应行为的新型智能材料呢？近日，东华大学武培怡/雷周玥团队设计了一种差异化氢键网络交联的水凝胶，成功地仿效了含羞草叶柄中伸肌细胞和屈肌细胞的协同作用机制，实现了多模态、多路径的应激响应行为。

在该水凝胶中，弱氢键交联结构类似于含羞草的屈肌细胞，而由强氢键团簇稳定的交联结构则相当于伸肌细胞（图1）。在受到外力作用时，强氢键团簇被破坏，有利于水分子在水凝胶内部快速扩散，而弱氢键交联结构则倾向于降低高分子链构象熵，促进水凝胶的弹性变形恢复。当受力的水凝胶被缓慢放入水中，其上下表面接触水的时间差，会在熵弹性形变过程中耦合一个膨胀压梯度。随着水分子的扩散和高分子链的协同变形，水凝胶内部的水分子和高分子网络最终都会达到均匀的平衡状态。然而，耦合了水扩散梯度的弹性变形过程却使水凝胶的刺激响应行为会历经多步非平衡态过程，自主产生多模态的形态变化。这个过程类似于含羞草的自发应激响应，并具有丰富的可编程性。

图1. 生物启发的结构设计。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最初，水凝胶内部的膨胀压差主导了变形行为，导致它迅速自发地卷起形成闭合形状（图2）。随着时间的推移，水扩散并在水凝胶内均匀分布。膨胀压差逐渐减小并最终消失，将水凝胶恢复到其初始平坦形状。

图2. 刺激响应水凝胶的变形过程以及模拟结果。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

水凝胶的刺激响应变形效果可通过对其进行局部拉伸（激活模块，AS）来编辑。例如，当非激活（RS）模块位于AS模块中心时，水凝胶随时间展示了一系列“扩张”响应（图3）。进一步地，水凝胶还可以自发地进行一系列“坐起来”、“前滚翻”的响应模式，甚至能够在变形过程中举起重物。RS和AS模块的可编辑配置能够呈现多样化的次序变形和运动响应能力，这对于开发能够自主运动的智能软体机器人具有重要意义。

图3. 水凝胶的可编辑的变形响应效果。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

刺激响应水凝胶在偏振光下具有双折射现象，这能够赋予其双重信息加密的功能。利用硅油作为加密墨水，可以调节水的蒸发实现信息传递（图4）。硅油覆盖区域可以阻止水的蒸发，从而与未覆盖区域之间形成应力分布的差异。虽然在自然光下无法察觉，但这种应力模式导致双折射颜色变化，实现了时间依赖性的信息传递和加密。例如，用硅油墨水在拉伸的水凝胶上书写“471”，数字信息经历应力诱导的演变，在偏振光下先出现然后消失。进一步地，不同粘度的墨水组合使得更复杂的次序性信息传递和加密成为可能。利用粘度不同的墨水（100、1000和3500 CPS）在水凝胶上书写“▬ ▬ ● ●”，可在2、10、50分钟时分别传递“T”、“G”、“Z”等字母信息。这种时间依赖性的加密信息的叠加可以实现更加复杂的双重信息加密效果。

图4. 水凝胶在偏光下的信息加密效果。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

综上，本研究设计了一种具有差异化氢键网络的水凝胶，遵循一种合作调节机制，允许多模态、多路径的变形/运动响应沿着非平衡过程进行，并在偏振光下表现出“双重锁定”信息编码潜力。这为新型仿生材料的设计提供了新的见解，为下一代智能软体机器人的发展提供了灵感。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是东华大学博士研究生赵薇，德国于利希中子散射中心吴宝虎博士也参与了研究，东华大学武培怡教授和雷周玥研究员为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委（22305033和52161135102）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（23D210502）对该工作的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Hydrogels with Differentiated Hydrogen-Bonding Networks for Bioinspired Stress Response

Wei Zhao, Baohu Wu, Zhouyue Lei, and Peiyi Wu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202400531

研究团队简介

武培怡，东华大学化学与化工学院院长，国家杰出青年基金获得者(2004)，英国皇家化学会会士。以通讯作者发表Joule、Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、JACS、Nano Letters、Angew. Chem. Int. Ed.等多篇SCI论文，主要研究方向包括智能仿生软材料、二维相关谱学、凝胶电解质和聚合物功能膜。

https://www.x-mol.com/university/faculty/184146

雷周玥，东华大学化学与化工学院研究员，2023年入选国家级高层次青年人才， 2020-2023年连续4年入选斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单 (World’s Top 2% Scientists)，以第一/共一/共同通讯作者发表Joule、Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等多篇SCI论文，主要研究方向为仿生智能离子导电高分子。

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