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像含羞草一样可变换的三维形变材料——杜学敏:传统材料可控三维形变普适性方法

作者: Research编辑部

时间: 2019-12-24 15:27

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,提出了一种普适性的仿含羞草设计,实现传统材料可控三维形变策略,相关研究结果以 “Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels”为题发表在《Research》(Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296)上。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2019/6398296/

研究背景

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图1 海藻酸钠水凝胶在NaCl溶液中反转形变

近年来,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,要么触发形变的手段会面临各种安全性挑战,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,同时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。

研究进展

近日,杜学敏研究团队创新性地仿生含羞草触之形变原理,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三维形变,解决了传统生物材料难以实现可控三维形变问题。同时,该方法首次报道通过生物兼容性离子(Na+/Ca2+)调控海藻酸钠水凝胶三维形变,克服了调控手段的安全性问题。这种通过仿生设计实现传统材料更丰富结构与功能的方法,在生物医学领域具有广泛应用前景。

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图2 (A-E)海藻酸钠水凝胶的多种复杂三维形变图:T形、H形、三通管状结构、双螺旋、串联三螺旋

非常有意思的是,将所得螺旋形水凝胶置于0.1 mol/L 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(图1)。当反转形变后的三维螺旋结构重新浸泡在0.1 mol/L 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。再尝试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,还可以成功呈现类似DNA分子的双螺旋结构(图2)以及自然界中各种复杂花的三维形状,实验还成功模拟了仿生花在离子溶液中动态绽放与闭合(图3)。

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图3 (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

未来展望

该工作首次实现了通过生物兼容性离子(Na+/Ca2+)调控海藻酸钠水凝胶三维形变,并揭示了其内外反转三维可逆形变机制。这种仿生含羞草触之形变原理,采用结构与功能设计相结合的方法,不仅为传统材料可控形变设计提供了一种普适性方法,还将极大拓展可控形变与响应性材料在再生医学与柔体机器人等领域的广泛应用。

作者简介

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杜学敏,博士,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员。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。

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