深圳先進(jìn)院等發(fā)展出天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所納米調(diào)控中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略：通過(guò)交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同調(diào)控殼聚糖水凝膠三維形變，并揭示其可控三維形變力學(xué)機(jī)制。相關(guān)論文以《單組分天然多糖水凝膠形態(tài)編輯》（Editing the Shape Morphing of Mono-component Natural Polysaccharide Hydrogel Films）為題在Science合作期刊Research（Research, 2021, 2021, 9786128. DOI: 10.34133/2021/9786128）上在線發(fā)表，客座學(xué)生胡豪和深圳先進(jìn)院黃超博士為本文的共同第一作者，深圳先進(jìn)院喻學(xué)鋒研究員和Massimiliano Galluzzi副研究員、浙江大學(xué)肖銳研究員為論文的共同作者，杜學(xué)敏研究員和湘潭大學(xué)葉強(qiáng)博士是該論文共同通訊作者。
近年來(lái)，可控三維形變高分子材料在生物電子、醫(yī)用機(jī)器人、組織工程與人工器官等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但具有良好生物相容特性的傳統(tǒng)材料要么欠缺形變能力，要么實(shí)現(xiàn)可控形變的方法極其復(fù)雜，極大限制這類(lèi)生物材料的實(shí)際應(yīng)用。如何通過(guò)簡(jiǎn)單易行且具普適性的策略實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生物材料的可控三維形變，仍是這類(lèi)材料在生物醫(yī)學(xué)醫(yī)用領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
為此，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)基于前期仿生含羞草可控三維形變工作基礎(chǔ)（Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Research, 2019, 2019, 6398296; Adv. Funct. Mater., 2020, 1909202; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120），及這類(lèi)形變材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的迫切需求（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027; Natl. Sci. Rev., 2020, 7, 629; Adv. Mater. Technol., 2019, 4, 1900566; J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 3519; Microsyst. Nanoeng., 2020, 6, 58; Lab on a Chip, 2020, 20, 4321），創(chuàng)新性地提出僅通過(guò)尺寸效應(yīng)與自上而下的交聯(lián)梯度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜三維形態(tài)可控編輯（視頻1）。
首先，研究人員利用交聯(lián)劑自上而下滲透擴(kuò)散帶來(lái)的交聯(lián)梯度，實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜的上下表面溶脹度差異；在此基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠薄膜尺寸（長(zhǎng)、寬、厚），即可實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜從二維平面形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪⒍坦堋㈤L(zhǎng)管等三維卷曲形態(tài)，并通過(guò)受力分析揭示其形變過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制。研究人員進(jìn)一步將不同尺寸的凝膠薄膜設(shè)計(jì)到一起，即可實(shí)現(xiàn)一系列類(lèi)似風(fēng)車(chē)、花朵等復(fù)雜三維形態(tài)，且還可通過(guò)pH刺激調(diào)控其三維形態(tài)（圖2）。
該研究發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略，該策略既無(wú)需復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又無(wú)需多組分材料復(fù)合，僅通過(guò)交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同，即可實(shí)現(xiàn)單組分傳統(tǒng)高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯，且該簡(jiǎn)單易行的形態(tài)編輯策略還可普適拓展到如海藻酸鈉等高分子材料中。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、深圳市等科技項(xiàng)目資助。
視頻1：殼聚糖水凝膠薄膜可控三維形變
圖2：（a）殼聚糖是從蝦蟹等甲殼中提取的天然多糖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）（b）殼聚糖（CS）水凝膠自上而下交聯(lián)梯度設(shè)計(jì)示意圖；（c）殼聚糖水凝膠薄膜三維形態(tài)可控編輯相圖；（d）殼聚糖水凝膠復(fù)雜三維形態(tài)可控編輯。
