admin 百科大全 2022-12-30 9:40:44

Nature子刊：力触发水凝胶表面快速微结构生长，实现按需功能！

生物体具有在其表面生长各种微结构以实现其功能性的能力。在此，来自日本北海道大学的Tasuku Nakajima & Jian Ping Gong等研究者，提出了一种基于双网络水凝胶的力触发聚合机制的力戳方法在水凝胶表面生长微结构。相关论文以题为“Force-triggered rapid microstructure growth on hydrogel surface for on-demand functions”发表在Nature Communications上。

论文链接：

/articles/s41467-022-34044-8

在自然界中，生物的许多特定功能，是由它们的表面微结构来实现的。例如，仙人掌，可以通过其表面粗糙的刺有效地收集和定向输送水分。另一个例子是头足类动物显示动态的皮肤图案，以回应交流和伪装的刺激。生物表面的这些微结构，通常是通过表面生长机制形成的，这为人们设计具有特定功能和应用前景的新型仿生材料，提供了良好的范例。

最近，人们尝试通过光照射，在聚合物表面生长微结构。使用力作为另一种触发来生长和化学改造水凝胶的表面，可能是一种仿生方法。与使用热或光的触发器相比，使用力作为触发器可能更简单、清洁和节能。目前，力引发化学反应的许多分子机制，已经蓬勃发展。例如，机械力可以优先破坏聚合物链上的弱键，并在断裂的末端产生机械自由基，这些自由基可以引发周围单体的聚合。然而，将这种分子机制应用于大块水凝胶材料，通常具有挑战性。这是因为少量的键断裂，会导致传统水凝胶的灾难性失败。因此，这种力引发的化学反应难以控制，不能直接应用于按需表面组织生长。

近年来，人们发现双网络(DN)水凝胶是弥合上述分子机制与材料功能之间鸿沟的优良材料。在DN水凝胶中，力引发的化学反应可以被宏观力很好地控制，反应非常高效。柔性和可拉伸网络的存在，可以有效地抑制粘结断裂引起的刚性和脆性网络的应力集中。因此，DN水凝胶中的力激活键断裂并不会导致材料的灾难性破坏，而且DN水凝胶内部的键断裂量，会随着施加在材料上的应力/应变而增加。研究者已经证明，DN水凝胶内部通过键断裂产生的机械自由基浓度足够高，可以启动水凝胶体中的单体聚合，并改善DN水凝胶的机械性能。

将这个DN概念应用到水凝胶的表面工程，是一个简单的想法。然而，当将这一概念应用到表面时，具体的问题就出现了。DN水凝胶的表面结构，可能与本体非常不同，并取决于合成水凝胶的模板。特别是用玻璃基板合成的典型DN水凝胶的最表面覆盖了一层1~10 μm厚的软第二网络。因此，在这样的表面层中不存在双网效应。为了将双网络的概念应用于表面化学改性，需要从具有良好控制的表面双网络结构的水凝胶开始。

在此，研究者实现了DN水凝胶表面的应力/应变控制键断，保证了DN水凝胶表面的空间可控结构重塑。这种方法允许在几秒钟内对水凝胶表面的形态和化学进行快速空间调制，以实现按需功能。研究者展示了细胞的定向生长和水滴在工程水凝胶表面的定向运输。这种力触发法对水凝胶表面进行化学工程，为传统的光或热方法提供了新的工具，将促进水凝胶在各个领域的广泛应用。（文：水生）