近日，中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏副研究员团队研发出一种离子交联型水凝胶，首次报道了通过生物兼容性离子（Na+/Ca2+）触发水凝胶可控三维形变，并揭示了其内外反转三维可逆形变机制。相关研究结果在Science合作期刊Research 上在线发表。
近年来，仿生可控三维形变材料在组织工程与人工器官等医学领域应用广泛，但传统材料要么欠缺可控形变能力，要么刺激调控手段面临安全性挑战，由此极大限制了传统生物材料医学应用。如何成功实现传统生物材料的可控三维形变，及采用生物相容性手段调控形变，仍是材料生物学应用面临的一大难题。
图 1. 海藻酸钠水凝胶在NaCl溶液中反转形变
为解决该挑战，杜学敏研究团队基于前期在材料可控形变设计经验（Adv. Mater., 2017, 29, 1702231; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027），创新性地仿生自然中触之形变植物的构造原理，通过表面定向排列微阵列结构与自上而下的梯度交联设计结合，成功实现钙离子交联的海藻酸钠水凝胶可控三维形变。将所得螺旋形水凝胶置于0.1 M NaCl溶液中，发现三维螺旋形会逐渐变形为二维平面结构，最终结构进一步反转形成微通道朝外的反向三维螺旋结构。当反转形变后的三维螺旋结构重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中时，样品会恢复到微通道朝内的初始三维螺旋结构。这是因为Na+与Ca2+离子之间会发生置换，由此触发水凝胶的溶胀或收缩，进而实现三维可控形变，并通过溶胀率测试，AFM力学分析以及EDS能谱分析验证了这一形变机制。非常有意思的是，将三维形变水凝胶置于NaCl与CaCl2的混合溶液中，通过调节溶液中Na+/Ca2+浓度比例，还可成功“冻结”海藻酸钠水凝胶三维动态形变过程中的瞬态形状。而且，通过耦合多种不同取向微阵列结构，成功实现了类似DNA分子的双螺旋结构，及自然界中各种复杂花的三维形状，还成功模拟了仿生花在离子溶液中动态绽放与闭合。
图2. Na+/Ca2+触发海藻酸钠水凝胶可控三维形变机制分析（A-I）钙离子交联海藻酸钠离子置换机制，及水凝胶在不同溶液体系中差异；（J）Na+与Ca2+混合体系可控“冻结”三维形变；（K-N）溶胀率测试，AFM力学分析以及EDS能谱分析验证Na+与Ca2+离子置换触发水凝胶溶胀或收缩机制。
图3. （A-E）海藻酸钠水凝胶的多种复杂三维结构图（T形、H形、三通管状结构、双螺旋、串联三螺旋）；（F-H）基于海藻酸钠水凝胶的多种仿生花形貌图；（I）仿生花在离子溶液中动态绽放闭合图。
该项研究揭示了应用广泛的海藻酸钠水凝胶的三维形变设计机制，不仅为传统材料可控形变设计提供了一种普适性方法，而且将极大拓展可控形变与响应性海藻酸钠等水凝胶在再生医学与柔体机器人等领域广泛应用。该研究工作得到了科技部重点研发专项（2017YFA0701303）与粤港科技合作资助计划（2017A050506040）等项目的资助。
该论文作者为：X. Du*, H. Cui, Q. Zhao, J. Wang, H. Chen, Y. Wang
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels
Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296
作者简介
杜学敏，博士，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中国科学院青年创新促进会会员，广东特支计划青年拔尖人才，深圳市“孔雀计划”海外高层次人才，深圳市高层次专业人才。主要研究方向：结合化学合成与微纳制备，探索仿生智能材料（如光子晶体、智能高分子等）在穿戴与植入式材料与器件方面应用。近三年在Research, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem.系列等国际知名期刊上发表多篇高水平论文。课题组长期招聘博后，简历可发邮箱：xm.du@siat.ac.cn，详见课题组网页：http://dugroup.siat.ac.cn/。
https://www.x-mol.com/university/faculty/44749
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
