功能水凝膠的多尺度仿生法

引言

天然的水凝膠是一種對有機體非常重要的物質。而隨著人工水凝膠的問世，多年以來，研究人員一直致力于從天然水凝膠中汲取靈感，從而開發水凝膠材料的應用潛力。時至今日，人工水凝膠材料已經具有刺激響應、自愈合以及超浸潤性等性能，力學性能上也進步巨大，在軟機器、人造器官、可再生醫學等領域均具有廣泛的應用。然而，與天然水凝膠相比，人工水凝膠材料依然存在著結構單一、功能不成熟的缺陷。因此，天然水凝膠如活體組織等在未來依然可以為人工水凝膠的發展提供無限的靈感；而近年來，從不同尺度進行仿生的水凝膠材料在不斷地出現^[1]，也表明人工水凝膠的發展之路還很長。

單體仿生

作為人工聚合物材料的基本構成單位，有機單體有時候能夠決定材料的基本性質。而與之對應，在自然界中氨基酸、核苷酸、單糖等也充當了單體的角色，作為構建蛋白質、DNA以及多糖的基本構成單位。受此影響，研究人員認為在單體尺度進行仿生也能影響水凝膠材料的特定性質。

圖1 仿生干/濕雜化粘附劑的設計^[2]

從單體進行仿生制備水凝膠最經典的例子莫過于貽貝仿生膠黏劑的誕生。貽貝在水中可以分泌的一種粘附蛋白，使其得以在水下對濕潤表面具有非常強的粘附力。深入研究發現，這種蛋白質中存在著高含量的鄰苯二酚類氨基酸——左旋多巴（DOPA）。于是當人們在膠黏劑中添加了DOPA類物質，能夠顯著增強材料的界面粘附力。進一步地，研究人員利用鄰苯二酚類單體改性聚合物，模仿DOPA形成含有大量鄰苯二酚的共聚物。如圖1所示，將這種聚合物涂覆在PDMS模具表面，可以形成仿生壁虎足的粘性材料，其在濕潤環境中的粘性增強了15倍之多。經過上千次的粘附-脫附循環后，這種材料在干/濕環境中依舊能維持粘附性能^[2]。

隨后，有研究又發現鄰苯二酚與鐵之間的配位作用可以影響貽貝足絲線的硬度和自愈能力。因此，Holten-Andersen^[3]等人發展了一種利用pH調控鄰苯二酚-鐵離子聚合物間配位交聯的方法，并制備新型的可自愈合水凝膠，其彈性性能甚至接近與共價交聯的聚合物材料。這一工作的發現直接推動了鄰苯二酚化學的發展，使鄰苯二酚及其衍生物成為了水凝膠領域最受歡迎的交聯劑之一。

聚合物仿生

當單體聚合就會形成聚合物，而如果構成聚合物的單體超過一種，那聚合物中的單體構成序列（monomer sequence）則會影響聚合物的性質。例如，生物大分子如DNA和蛋白質就具備有精準可控的單體序列和分子量，可以很好地滿足功能需求。但是在合成聚合物領域，要想獲得精準可控的聚合物一直是領域的重點難題；通過選擇具有特定序列的單體來設計具有精巧結構、特定功能的聚合物更是難上加難。

目前來說，制備序列可控聚合物水凝膠的方法可以分為兩類。一類是生物大分子基水凝膠，在這類水凝膠中，聚合物鏈是由具有明確序列的蛋白質及其嵌段共聚物構成的。而在這些水凝膠中，蛋白質能夠自組裝形成納米結構或者交聯區域，使得水凝膠能夠具備響應pH、溫度和離子強度的能力。有研究^[4]就表明，含有蘇氨酸的水凝膠對細胞粘附具有序列選擇性；而絲氨酸基序列更容易促進細胞增殖以及細胞群的大規模增長。

圖2 陽離子-π輔助聚合的共聚物設計策略^[5]

另一類就是序列可控的人工聚合物基水凝膠。和蛋白質相比，目前具有可控序列的人工聚合物報道較少，合成難度也更大。但是越來越多的研究表明，相對于無規序列聚合物，嵌段序列的聚合物在凝膠時間等方面均具有選擇性。近來，Fan^[5]等人利用陽離子-π復合物輔助自由基聚合形成了具有相鄰陽離子-芳香基團序列的共聚物。盡管這一聚合物含有50%的疏水芳香單體，但是陽離子的靜電排斥效應避免了芳香基團在極性溶劑的聚集，導致聚合物在DMSO和水中均具有良好的溶解性；與之對應，相同組分的無規序列共聚物則表現出難溶的特點。更重要的是，在海水環境中，鹽離子屏蔽了長程靜電排斥效應，加劇了聚合物鏈內/鏈間的陽離子-π鍵及疏水作用，促使聚合物溶液出現成膠現象。與此相反，不具有相鄰序列特征的聚合物所形成的的水凝膠則表現出了非常微弱的粘附能力，進一步說明聚合物序列與水凝膠性能之間存在關系。

分級結構仿生

水凝膠本質上是相互交聯的聚合物網絡結構。然而由于聚合物的分子量分布非常寬，導致人造水凝膠的網絡結構均一程度低。利用低分子量嵌段共聚物或者選擇特定的交聯劑來改善由于網絡均一性低造成的如局部應變等問題。不僅如此，天然水凝膠通常具有多級網絡結構的特征。在人工水凝膠中存在的雙網絡結構就是這類分級仿生的最簡化模型。特別是在骨組織工程中，雙網絡水凝膠由物理性能截然不同的聚合物相互穿插形成：其中一種硬度高、脆性大；而另外一種則是軟性可拉伸聚合物網絡。通常，硬度高的網絡由有機-無機雜化材料構成，力學性能上能夠模仿骨頭；而軟性可拉伸網絡則保證了在外力作用仍然具備維持有效應力作用。通過構建這一類雙網絡水凝膠，為研究和仿生軟骨組織提供了新的思路^[6]。

圖3 含有鈦酸鹽納米片水凝膠表現出各向異性的力學特點^[7]

生物組織中的各向異性結構也為水凝膠設計提高了靈感，這類各向異性結構廣泛存在于肌肉或者腱組織中。例如利用強磁場，Aida課題組^[7]將單層的鈦酸鹽納米片集成到水凝膠中。通過磁力作用，鈦酸鹽納米片在膠體溶液中更傾向于同軸排列形成準晶體取向，再利用原位乙烯聚合作用可以進一步在水凝膠中固定鈦酸鹽納米片并形成各向異性結構。在這一結構中，平行施加于納米片的剪切力能夠輕易使納米片變形；而正交施加的壓力則不能使納米片發生形變（圖3）。研究人員認為這一各向異性的力學特點與軟骨組織相似，為材料的生物應用提供了機會。

幾何形貌仿生

具有功能的生物結構通常也具有非常特殊的幾何學和形貌特征，因此通過仿生制備宏觀幾何形貌上與生物結構類似的水凝膠，也可能會呈現出特定的功能。章魚足就是一個廣受關注的仿生對象，其用肌肉驅動來控制足內壓力，在界面具備可開關的粘附性能。受此啟發，有研究^[8]發明了一種智能粘性板。如圖4所示，在這種粘性板中，空腔-圖案化的PDMS膜作為彈性基質，溫敏性的pNIPAM水凝膠則涂覆在基質頂部形成溫敏性致動壁。pNIPAM在低臨界溶解溫度（約為32℃）時能夠發生劇烈的體積變化，因此涂覆在PDMS上的水凝膠就可以隨著溫度變化控制空腔的變化。在智能粘性板與目標表面接觸后，隨著溫度升高，水凝膠體積發生皺縮致使空腔體積增大，因此腔內壓力減小而誘發了粘性板的粘附能力；當粘性板冷卻后，水凝膠溶脹并減小空腔體積，縮小了腔內外的壓力差，從而減弱了粘性板的粘性，高度模仿了章魚足的運動。這一智能粘性板可以被用于半導體微納膜的轉印過程，利用此法轉印制備了在硅基質上的InGaAs晶體管，展現出了優異的場效應遷移行為和理想的開關電流。

圖4 仿生章魚足的智能粘性板^[8]

除此之外，仿生電鰻生理結構的陽離子-陰離子重復性水凝膠膜能夠利用微室之間的離子梯度來產生電勢差超過100V的電力^[9]；仿生柳葉鰻可以制備高速、高驅動、透光透水的水凝膠^[10]；仿生動物變色結構發明了可自愈合的結構色水凝膠^[11]；以及受到河豚幾何形貌啟發制備的可長期維持的水凝膠器件，其溶脹速率快、溶脹比高，可以用作在胃部長期停留并檢測生理狀況的可吸收器件^[12]。

“新陳代謝”仿生

?

圖5 模仿肌肉鍛煉強化水凝膠^[13]

非平衡態（out-of-equilibrium state）在生物系統是比較常見的狀態，例如肌肉利用代謝過程可以根據周遭的力學環境自主地進行生長或者萎縮。這也為發展新型水凝膠提供了思路。近期，北海道大學的龔劍萍課題組^[13]發現在雙網絡水凝膠中仿生 “代謝”過程可以在力學訓練后促進水凝膠的愈合甚至強化水凝膠自身。在這一水凝膠系統中，研究人員通過打破水凝膠網絡來模仿肌肉損傷；而從外部環境中提供單體重塑網絡則模仿了生物系統提供營養物質修復損傷的過程。就像在健身訓練過程肌肉得到不斷地鍛煉和提升一樣，雙網絡水凝膠借由應力發生不斷的破壞-重建，并在該過程中產生機械化學自由基（圖5），持續地單體供給與自由基反應生成新的網絡結構，由此不斷經歷“損傷-修復”的水凝膠可以得到強化，如經過訓練的肌肉一樣變得更加“健壯”。

參考文獻

1. Fan, H.; Gong, J. Fabrication of Bioinspired Hydrogels: Challenges and Opportunities. Macromolecules 2020, 53, 2769-2782.

2. Lee, H.; Lee, B. P.; Messersmith, P. B. A reversible wet/dryadhesive inspired by mussels and geckos. Nature 2007, 448, 338?341.

3.?Holten-Andersen, N.; Harrington, M. J.; Birkedal, H.; Lee, B.; Messersmith, P. B.; Lee, K. Y. C.; Waite, J. H. pH-induced metalligand?cross-links inspired by mussel yield self-healing polymer?networks with near-covalent elastic moduli. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S.?A. 2011, 108, 2651?2655.

4. Kang, M. K.; Colombo, J. S.; D’Souza, R. N.; Hartgerink, J. D.Sequence Effects of Self-Assembling MultiDomain Peptide Hydrogels?on Encapsulated SHED Cells. Biomacromolecules 2014, 15, 2004?2011.

5.?Fan, H. L.; Wang, J. H.; Tao, Z.; Huang, J. C.; Rao, P.;Kurokawa, T.; Gong, J. P. Adjacent cationic?aromatic sequences yield?strong electrostatic adhesion of hydrogels in seawater. Nat. Commun.?2019, 10, 5127.

6. Gong, J. P. Why are double network hydrogels so tough? SoftMatter 2010, 6, 2583?2590.

7. Liu, M.; Ishida, Y.; Ebina, Y.; Sasaki, T.; Hikima, T.; Takata,; Aida, T. An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion?between cofacially aligned nanosheets. Nature 2015, 517, 68?72.

8. Lee, H.; Um, D.-S.; Lee, Y.; Lim, S.; Kim, H.-j.; Ko, H.Octopus-Inspired Smart Adhesive Pads for Transfer Printing of?Semiconducting Nanomembranes. Adv. Mater. 2016, 28, 7457?7465.

9. Schroeder, T. B. H.; Guha, A.; Lamoureux, A.;VanRenterghem, G.; Sept, D.; Shtein, M.; Yang, J.; Mayer, M. An?electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels. Nature?2017, 552, 214?218.

10. Yuk, H.; Lin, S.; Ma, C.; Takaffoli, M.; Fang, N. X.; Zhao, X.Hydraulic hydrogel actuators and robots optically and sonically?camouflaged in water. Nat. Commun. 2017, 8, 14230.

11. Fu, F.; Chen, Z.; Zhao, Z.; Wang, H.; Shang, L.; Gu, Z.; Zhao, Bio-inspired self-healing structural color hydrogel. Proc. Natl. Acad.?Sci. U. S. A. 2017, 114, 5900?5905.

12. Liu, X.; Steiger, C.; Lin, S.; Parada, G. A.; Liu, J.; Chan, H. F.;Yuk, H.; Phan, N. V.; Collins, J.; Tamang, S.; Traverso, G.; Zhao, X.?Ingestible hydrogel device. Nat. Commun. 2019, 10, 493.

13. Matsuda, T.; Kawakami, R.; Namba, R.; Nakajima, T.; Gong, P. Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle?training. Science 2019, 363, 504?508.

本文由nanoCJ供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。