近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院杜學敏副研究員團隊研發(fā)出一種離子交聯(lián)型水凝膠，首次報道了通過生物兼容性離子（Na+/Ca2+）觸發(fā)水凝膠可控三維形變，并揭示了其內(nèi)外反轉(zhuǎn)三維可逆形變機制。相關(guān)研究結(jié)果以論文“Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels”在Science合作期刊Research上在線發(fā)表（Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296）。
近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫(yī)學領(lǐng)域應用廣泛，但傳統(tǒng)材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調(diào)控手段面臨安全性挑戰(zhàn)，由此極大限制了傳統(tǒng)生物材料醫(yī)學應用。如何成功實現(xiàn)傳統(tǒng)生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調(diào)控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。
圖 1. 海藻酸鈉水凝膠在NaCl溶液中反轉(zhuǎn)形變
為解決該挑戰(zhàn)，杜學敏研究團隊基于前期在材料可控形變設計經(jīng)驗（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創(chuàng)新性地仿生自然中觸之形變植物的構(gòu)造原理，通過表面定向排列微陣列結(jié)構(gòu)與自上而下的梯度交聯(lián)設計結(jié)合，成功實現(xiàn)鈣離子交聯(lián)的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發(fā)現(xiàn)三維螺旋形會逐漸變形為二維平面結(jié)構(gòu)，最終結(jié)構(gòu)進一步反轉(zhuǎn)形成微通道朝外的反向三維螺旋結(jié)構(gòu)。當反轉(zhuǎn)形變后的三維螺旋結(jié)構(gòu)重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中時，樣品會恢復到微通道朝內(nèi)的初始三維螺旋結(jié)構(gòu)。非常有意思的是，將三維形變水凝膠置于NaCl與CaCl2的混合溶液中，通過調(diào)節(jié)溶液中Na+/Ca2+濃度比例，還可成功“凍結(jié)”海藻酸鈉水凝膠三維動態(tài)形變過程中的瞬態(tài)形狀。而且，通過耦合多種不同取向微陣列結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了類似DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，及自然界中各種復雜花的三維形狀，還成功模擬了仿生花在離子溶液中動態(tài)綻放與閉合。
圖2. （A）具有表面定向排列微通道以及自上而下交聯(lián)度梯度的海藻酸鈉水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖；（B）冷凍干燥海藻酸鈉水凝膠上中下三個區(qū)域的SEM圖；（C-G）海藻酸鈉水凝膠在不同處理條件下不同區(qū)域的楊氏模量曲線與楊氏模量分布圖
圖3. （A-E）海藻酸鈉水凝膠的多種復雜三維結(jié)構(gòu)圖（T形、H形、三通管狀結(jié)構(gòu)、雙螺旋、串聯(lián)三螺旋）；（F-H）基于海藻酸鈉水凝膠的多種仿生花形貌圖；（I）仿生花在離子溶液中動態(tài)綻放閉合圖
該項研究揭示了應用廣泛的海藻酸鈉水凝膠的三維形變設計機制，不僅為傳統(tǒng)材料可控形變設計提供了一種普適性方法，而且將極大拓展可控形變與響應性海藻酸鈉等水凝膠在再生醫(yī)學與柔體機器人等領(lǐng)域廣泛應用。該研究工作得到了科技部重點研發(fā)專項（2017YFA0701303）與粵港科技合作資助計劃（2017A050506040）等項目的資助。
論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/6398296/
相關(guān)論文：
1. Xuemin Du, Huanqing Cui, Qilong Zhao, Juan Wang, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Inside-out 3D reversible ion-triggered shape-morphing hydrogels, Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296.
2. Qilong Zhao, Juan Wang, Huanqing Cui, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Xuemin Du, Programmed shape-morphing scaffolds enabling facile 3D endothelialization, Advanced Functional Materials, 2018, 1801027.
3. Xuemin Du, Huanqing Cui, Bin Sun, Juan Wang, Qilong Zhao, Kai Xia, Tianzhun Wu, Mark S. Humayun, Photothermally triggered shape-adaptable 3D flexible electronics, Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120.
4. Lidong Zhang, Pan?e Naumov, Xuemin Du, Zhigao Hu, Juan Wang, Vapomechanically responsive motion of microchannel-programmed actuators, Advanced Materials, 2017, 29, 1702231.
