自然界中的生命系統(tǒng)不僅能自發(fā)實現(xiàn)各種復雜的生物功能，還能對外界環(huán)境的變化和刺激及時做出響應和適應性調整。借助于復雜的化學反應網(wǎng)絡（CRN），生命體系可通過消耗自身或者外界能量，實現(xiàn)平衡態(tài)和多個非平衡態(tài)的轉變，進而實現(xiàn)各種復雜的功能。另外，CRN中復雜的反饋調節(jié)機制，也使得精準控制生命體自演化和響應性的時空行為成為可能。受此啟發(fā)，科學家利用合成化學和材料科學基本理論，開發(fā)一系列具有類似“活性”的瞬態(tài)材料，如燃料驅動超分子組裝體和大分子瞬態(tài)水凝膠等。然而，相比于生命體中復雜的反應網(wǎng)絡，這些合成體系仍比較簡單，難以實現(xiàn)更高階的復雜非線性功能。因此，開發(fā)類似生命體的“活性”材料并賦予其高階的自演化和自適應功能仍是科學領域的重大挑戰(zhàn)。
圖 1 可編程“活性”水凝膠中化學反應網(wǎng)絡示意圖。4-PEG-SH和秋蘭姆二硫化物可先后通過硫醇氧化（k1）、二硫化物復分解（k2）和亞硫酸酯水解偶聯(lián)（k3）等三步基元反應實現(xiàn)自演化和燃料耗散的復雜行為。 針對這一難題，近期，上？萍即髮W鄭宜君團隊將非線性級聯(lián)反應引入到瞬態(tài)水凝膠中，通過預測、編程CRN中各基元反應中反應物的動力學變化，成功構建出具有復雜自演變行為的“活性”瞬態(tài)水凝膠體系。他們以4-arm-PEG-SH和秋蘭姆二硫化物為原料，通過硫醇氧化（k1）、二硫化物復分解（k2）和亞硫酸酯水解偶聯(lián)（k3）等三步基元反應的動力學調控，成功構建具有“活性”的可編程瞬態(tài)水凝膠體系（圖1）。他們發(fā)現(xiàn)，在中間產(chǎn)物二乙基二硫代氨基甲酸二乙銨（DDDC）的自催化下，合適的動力學常數(shù)（k1>k2>k3）使凝膠材料可自主實現(xiàn)溶膠（I）→軟膠→溶膠（II）→硬膠的連續(xù)四態(tài)轉變，各瞬態(tài)行為的壽命可以達到分鐘、小時甚至數(shù)天（圖2）。此外，額外的秋蘭姆二硫化物亦可作為燃料，驅動復分解和水解偶聯(lián)反應，進而實現(xiàn)能量驅動的硬凝膠→溶膠（II）→硬凝膠循環(huán)轉變。即使通過燃料驅動3次循環(huán)，模量也不會出現(xiàn)明顯損失。系統(tǒng)的動力學模擬進一步表明這種“活性”材料的瞬態(tài)轉變行為及壽命周期可以通過調整秋蘭姆二硫化物濃度，體系pH值和秋蘭姆結構進行精準編程（圖3）；谶@些特點，作者還探索了這種智能材料在防偽和形狀可塑性轉換方面的應用（圖4）。相比于基于簡單化學反應的傳統(tǒng)瞬態(tài)體系，這種“活性”材料具有高階的非線性反應網(wǎng)絡和自催化的特點，未來有望指導設計新一代的多功能智能材料，也為構建仿生命體的合成材料開辟新的方向。該工作以“Programming Hydrogels with Complex Transient Behaviors via Autocatalytic Cascade Reactions”為題發(fā)表在TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022)。 上海科技大學碩士生張靜宜為論文第一作者。該工作得到了上海浦江計劃（20PJ1411200），國家自然科學基金(52073175)與上？萍即髮W啟動資金的支持。
圖 2 （a）“活性”水凝膠狀態(tài)轉變行為和流變曲線（b）。(c) 通過向穩(wěn)定水凝膠中加入TDS（20 mM溶在MeCN）并重復三次硬凝膠→溶液(II)→硬凝膠循環(huán)。(d)不同循環(huán)中水凝膠的穩(wěn)定模量（G0）和瞬態(tài)水凝膠（II）的壽命。
圖 3 通過編程級聯(lián)反應中交聯(lián)二硫鍵濃度的變化調控“智能”水凝膠的瞬態(tài)轉變行為和壽命。這些水凝膠的瞬態(tài)自主轉變現(xiàn)象與級聯(lián)反應中交聯(lián)二硫鍵的濃度變化規(guī)律高度匹配，表明所設計凝膠體系的可預測和可編程性。
圖 4 （a） 圖案化防偽實驗：先將4-PEG-SH和TDS注入圖案化凹槽“SHTU”中。在TDS高效氧化下，4-PEG-SH交聯(lián)形成水凝膠，然后將成型的膠狀“SHTU”轉移至部分超疏水處理的鋁材表面(留有“nature”圖案未做超疏水處理)，隨著時間的流逝，SHTU的水凝膠自主變?yōu)槿苣z狀態(tài)，由于超疏水和重力作用溶液以小液滴的形式自動滾落。同時，潤濕親水區(qū)，最終呈現(xiàn)出加密信息“nature”。（b-k）形狀可塑性轉換：先把混合溶液注入到立方模具中，構建立方型的水凝膠。新形成的水凝膠具有彈性，由于交聯(lián)結構，在壓縮下變形后可以恢復為原始形狀。在可變形的時間窗口內，即處在軟凝膠的狀態(tài)下，通過在半球形容器中擠壓重塑水凝膠，這是因為在這種情況下二硫鍵解離后又重新形成。然后重新形成的樣品在可變形的時間窗外也是彈性的，不能重塑。因此，可以通過定制新的參數(shù)方式（即編程時間）來實現(xiàn)自主水凝膠所展現(xiàn)的形狀可編程特性。
這項工作是該團隊近期關于動態(tài)生物材料合成與功能化應用相關研究的最新進展。相比于傳統(tǒng)的穩(wěn)定水凝膠材料，開發(fā)具有類似生命體細胞外基質功能的先進動態(tài)生物材料，有助于更精確的了解細胞與其環(huán)境的動態(tài)相互作用，這對進一步操縱細胞功能具有重要意義。為此，該團隊致力于開發(fā)一系列具有復雜行為的可編程瞬態(tài)水凝膠，特別強調使用多種化學反應（eg. 光）實現(xiàn)材料物理化學和生物性能的多維調節(jié)(Nat. Commun.2020, 11, 963；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 59, 5611）。另外，為實現(xiàn)對細胞功能操控的目的，該課題組還開發(fā)了刺激響應性的分子施力工具，通過光控聚合物鏈的坍縮實現(xiàn)分子水平上力的施加和檢測（Nat. Commun. 2021, 12, 3580）。課題組長期招收招收碩士生、博士生和博士后，歡迎廣大青年才俊的加入。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c03177
