Adv. Funct. Mater.：具有3D復雜驅動-智能變色雙功能協同的新型智能仿生水凝膠

【引言】

大自然永遠是人類探索和制備智能材料的靈感源泉，它啟迪著研究人員創造出各式各樣的智能材料。而這些智能材料最顯著的特點就是它們可以根據環境的刺激做出相應的調整和響應。其中，聚合物水凝膠驅動器能夠將外部的刺激轉化為可控的機械變形（例如膨脹/收縮，彎曲和屈曲），在智能開關、微型機器人等領域擁有巨大的潛在應用價值，因而引起人們極大的關注。然而相對于自然界中既能變形/運動、又能變色的動植物（比如章魚等），目前研究的水凝膠材料及其仿生設備，很難兼有復雜驅動和變色兩種智能功能。這種智能功能的單一性，嚴重限制了智能水凝膠材料的進一步應用。為了拓展其應用領域，十分有必要模擬生物系統，開發具有多種功能協同的智能水凝膠驅動器材料。

本文中研究人員制備了一種新型智能高分子水凝膠，這種水凝膠擁有協同智能變形和智能變色的功能。為了最終得到具有開關控制和顏色可調熒光行為的仿生水凝膠驅動器，研究人員首先制備了溫度響應形變的氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺（GO-PNIPAM）復合水凝膠片層和pH響應的苝二酰亞胺官能化的超支化聚乙烯亞胺（PBI-HPEI）熒光水凝膠片層。然后通過宏觀超分子組裝將收縮狀態的形變水凝膠和變色水凝膠粘合，然后將雙層水凝膠剪裁成特定圖案并轉移到低溫環境中誘導PNIPAM網絡溶脹，最終形成各種具有預設復雜三維形狀的雙層水凝膠驅動器。此水凝膠驅動器產生的復雜驅動如同一個開關，可以控制熒光的產生/消失：當環境中的水溫升高，外層水凝膠收縮并帶動整個雙層水凝膠發生復雜形變，內層的變色水凝膠暴露在激發光之下，此時可發出黃色熒光，熒光還可以隨著環境中的pH變化進一步改變。該研究首次實現了智能水凝膠材料的復雜驅動和變色雙功能的協同，為開發新型多功能智能材料和仿生器件提供了新思路，在軟體微型機器人、智能開關等智能仿生領域擁有巨大的潛在應用價值。

【成果簡介】

近日，來自中科院寧波材料技術與工程研究所的張佳瑋研究員和陳濤研究員（共同通訊作者）等人在近期的Adv. Funct. Mater.期刊上發表了一篇題為“Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors”的文章。文章中介紹了一種新型聚合物水凝膠驅動器的制備方法。研究人員通過宏觀超分子組裝將處于收縮狀態的熱響應石墨烯氧化物-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺（PBI-HPEI）水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠；而通過這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅動器。這種水凝膠驅動器可以經歷由PNIPAM外層引起的復雜的形狀變形；并且在綠光的照射下，觸發水凝膠驅動器內層的熒光響應。研究人員的這項工作將極大地促進新型仿生智能材料的設計和制造。

【圖文導讀】

圖1 具有協同變形和變色功能的宏觀各向異性復合聚合物水凝膠

a）聚合物水凝膠（MA-SPH）的熒光顏色變化和三維復雜形狀變化；

b）基于主客體相互作用的GO-PNIPAM水凝膠和PBI-HPEI水凝膠之間的粘合性原理。

圖2 PBI-HPEI水凝膠的相關圖示

a）PBI-HPEI水凝膠的pH響應熒光變色原理；

b）PBI-HPEI水凝膠的pH依賴性熒光光譜；

c）在40℃并且溶液pH在2-10之間變化的條件下，PBI-HPEI水凝膠的循環可逆熒光行為。

圖3 水凝膠片層的整合及驅動器的數學模型

通過基于宏觀自組裝的超分子膠水將兩種不同的水凝膠片材整合成雙層水凝膠的過程。

圖4 驅動器1的形變和顏色變化

a）當溫度從20℃變化到40℃時的熱響應彎曲；

b）熱響應彎曲和形狀依賴的顏色變化；

c）形變后pH響應的熒光顏色變化。

圖5 驅動器2的熱響應復雜變形和pH響應熒光變色圖示

a）“仿生章魚”在外界環境刺激下的形變-色變協同過程（a₁-a₅是俯視圖，a₆-a₁₀是側視圖）；

b）“仿生章魚”的可逆復原過程（b₁-b₅是側視圖）；

【小結】

研究人員通過宏觀超分子組裝將收縮狀態的熱響應氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）水凝膠層與pH敏感的苝二酰亞胺官能化超支化聚乙烯亞胺（PBI-HPEI）水凝膠層組合，從而得到雙層水凝膠；而通過這種雙層水凝膠，研究人員最終得到了三維水凝膠驅動器。該研究首次實現了智能水凝膠材料的復雜驅動和變色雙功能的協同，在軟體微型機器人、智能開關等智能仿生領域擁有巨大的潛在應用價值，研究人員的這項工作將極大地促進新型仿生智能材料的設計和制造。

文獻鏈接：Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors.（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201704568）

通訊作者簡介：

陳濤研究員，博士生導師，高分子事業部副主任

2006年在浙江大學獲得高分子化學與物理博士學位。先后在英國University of Warwick化學系、美國Duke University機械工程與材料科學系從事博士后研究，以洪堡學者在德國TU-Dresden化學系從事科研工作，2012年加盟中科院寧波材料所。從事高分子微納復合材料的結構調控及其在形狀記憶、智能驅動和化學與生物傳感等方面的應用研究。

主持國家自然科學基金青年及面上項目、國家“青年千人計劃”項目、中科院“百人計劃”項目、中科院“拔尖青年科學家”項目、浙江省“杰出青年科學基金”項目和寧波市科技創新團隊項目等。在國內外學術刊物如：Chem. Soc. Rev., Prog. Polym. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Chem. Mater., Small, Chem. Commun., J. Mater. Chem. ABC, ACS Appl. Mater. Inter., Polym. Chem., Anal. Chem., Sensor Actuat B-Chem等發表一作或通訊作者文章80余篇，SCI引用2500余次(H因子為27)，合作出版專著4本，申請15項國家發明專利，5項獲得授權。

張佳瑋研究員，博士生導師，2005年和2010年分別在南開大學取得學士和博士學位， 2007年至2009年在加拿大蒙特利爾大學化學系學習；博士畢業后在清華大學化學系從事研究工作；2013年7月加盟中科院寧波材料所。長期從事功能高分子材料、膠體與表面科學、超分子科學等多學科交叉領域的研究工作，目前研究興趣：（1）超分子形狀記憶高分子，（2）新型智能高分子軟驅動材料。主持國家自然科學基金青年及主任項目、浙江省自然科學基金面上和公益性項目等，入選中科院青年創新促進會。近三年在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Chem. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊發表通訊作者文章30余篇。

本文由材料人高分子學術組Andy供稿，陳濤研究員團隊審核整理。

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