Adv. Mater.：通過刺激響應構建模塊來執行邏輯操作

【引言】

自從de Silva等人建立了開創性研究“化學邏輯門”以來，研究人員已經制造了許多不同類型的“化學邏輯門”：分子（或大分子）檢測和分析一個或多個輸入信號（例如，化學物質）并產生邏輯輸出。目前，化學邏輯門已經廣泛應用于信息技術、存儲器設備、小物體的大規模識別、分子鎖、微流體、診斷、光動力學治療、前藥激活和遞送等領域。化學邏輯門可以接受多種類型的刺激作為輸入（例如，光或化學物質）并執行等效于多個基本邏輯門的組合的高級功能階段。這些高級操作包括順序邏輯操作、半加法器、半減法器和多路復用器等。目前構建化學邏輯門的一般方法是通過化學合成可以執行邏輯功能的分子，但是這種方法具有很大的局限性。首先，進行高級操作的能力受到化學合成分子的極大限制；其次，分子或大分子可以檢測的外部輸入類型的數量通常限于兩個或三個；最后是邏輯門之間的連接，對于許多化學邏輯門，它們不能被集成，因為一個邏輯門的輸出與另一個邏輯門的輸入不兼容。刺激響應水凝膠是一類在外部刺激的影響下可以膨脹或收縮的大分子，其能響應的外部刺激范圍廣，因此使用水凝膠用于制造邏輯門的系統是一個不錯的方法。

【成果簡介】

最近，新加坡國立大學Siow Ling SOH助理教授（通訊作者）等人通過將不同類型的刺激響應水凝膠組合來制造不同類型的邏輯門。水凝膠在外界刺激下改變它們的形狀，雖然水凝膠響應不同類型的刺激，但它們的輸出是相同的，即水凝膠的尺寸的變化是相同的，因此，可以容易地集成邏輯門。此外制備了具有能夠分析（或診斷）不同刺激并且通過邏輯門控制化學品（或藥物）釋放的正常藥物片劑（即，“智能片劑”）的尺寸的獨立系統。該成果以“Performing Logical Operations with Stimuli-Responsive Building Blocks”于3月1日發表在Advanced Materials頂級期刊上。

【圖文解讀】

圖1 使用刺激響應水凝膠設計YES門和NOT門示意圖

輸入0表示水凝膠收縮時的狀態，輸入1表示水凝膠膨脹時的狀態。輸出0表示染料正常釋放的狀態，輸出1表示當通道被阻塞并且沒有染料釋放時的狀態。 圖示說明a）是門，和c）非門的方案；b）“是”門和d）“非”門的不同狀態的簡化表示，以及真值表；底部的圖像顯示出了在不同狀態下實驗制造的各個邏輯門。用于阻塞通道的聚合物片（聚二甲基硅氧烷，PDMS）為了清楚而被染成藍色。紅色表示染料被釋放。

在符號中，水凝膠收縮時的狀態分配0的輸入，并且當水凝膠膨脹時的狀態的輸入為1。當染料通過通道正常釋放時，我們分配0的輸出；當染料沒有釋放時，我們分配輸出1。首先通過使用pH響應水凝膠制備YES邏輯門來證明我們的方法（如圖1a）。當水凝膠暴露于pH 2的溶液時，其收縮（輸入0），并且染料通過通道（輸出0）釋放。在pH 12下，水凝膠膨脹（輸入1），并向通道推動聚合物薄膜（厚度為50μm；聚二甲基硅氧烷，PDMS）因此，通道被阻塞并且染料沒有擴散出其儲存器（輸出1）。該過程是可逆的：當水凝膠收縮（膨脹后）時，彈性聚合物膜返回其非拉伸狀態，并且染料再次釋放。通過用具有如圖1c所示的幾何形狀的聚合物塊（PDMS）替換薄聚合物膜（即閥）來制造NOT門。 在這種情況下，我們使用溫度響應水凝膠。 在40℃，水凝膠收縮（輸入0），并且該片PDMS阻斷通道；因此，染料沒有釋放（輸出1）。 在4℃，水凝膠膨脹（輸入1）。 這種擴張推動了一塊聚合物遠離通道并允許染料釋放（輸出0）。

圖2外部刺激的邏輯門的設計示意圖

a）OR和AND門以及d）NAND和NOR門的設計的方案；

b）OR門； ? ? ? ? ? ? ?c）AND門； ? ? ? ? ? ? ? e）NAND門；

f）NOR門的簡化表示，真值表和實驗圖像。

圖2為用于制造OR，AND，NAND和NOR門的方法。其設置包括兩個刺激響應水凝膠； 它們中的每一個響應不同的刺激（圖2a）。在實驗中，使用pH響應水凝膠和溫度響應水凝膠。對于OR門，兩個水凝膠彼此相鄰放置（圖2b）。當任何（或兩者）水凝膠在任一種（或兩種）刺激的影響下膨脹時，將薄的聚合物膜向前推，通道被阻塞。對于與門，在兩個水凝膠之間留出一個空間（圖2c）。當只有一個水凝膠膨脹時，它僅僅膨脹到該空間中而不將薄的聚合物膜向前推。 因此，只有當兩種水凝膠都膨脹時，聚合物膜才能向前推進。基于這些原理以及用于非門的聚合物塊（即，閥）構造NAND和NOR門（圖2d-f）。經實驗驗證這四個邏輯門對于所有四個輸入狀態。

圖3兩個邏輯門組成的系統的設計示意圖

a，b）連接到“或門”和c的AND門；

d）連接到NOR門的AND門。

將一個“與門”連接到一個“或門”（如圖3a）。AND門由薄的聚合物膜，pH響應性水凝膠，溫度響應性水凝膠和柵極中的空間組成。OR門由薄的聚合物膜和鹽響應性水凝膠（即，在去離子水中膨脹并在含鹽溶液中收縮的水凝膠）組成，其中沒有任何空間。當pH響應性水凝膠和溫度響應性水凝膠都膨脹時，它們推動AND門的薄聚合物膜向前。 然后，該聚合物膜向前推鹽應答水凝膠和OR門的薄聚合物膜，從而阻斷通道。由于在OR門中沒有空間，所以不論鹽響應性水凝膠是處于其膨脹（在去離子水中）還是收縮狀態（在1m NaCl溶液中），通道都被阻斷。類似地，當鹽響應性水凝膠膨脹時，不管AND的薄聚合物膜是否向前推進，通道都被阻塞。在設計中，鹽響應性水凝膠被制造成具有比AND門的薄聚合物膜的長度稍大的寬度。當鹽響應性水凝膠膨脹時，由于在聚合物薄膜的端部處的兩個PDMS載體，其不能推動AND門的聚合物膜向后。實驗驗證了這個兩個邏輯門的系統對于所有八個輸入狀態執行符合預期（圖3b）。另外還展示了由連接到或非門的與門組成的系統（圖3c）。類似地，在pH響應性水凝膠和溫度響應水凝膠之間留出了用于AND門的空間；然而，在NOR門中沒有空間。再次，實驗驗證了邏輯門對于所有八個輸入狀態執行與預期一樣（圖3d）。

圖4使用OR門分析和傳輸化學品示意圖

a）通過組裝具有OR門的染料儲存器來制造具有藥物片劑尺寸（≈1cm）的獨立化學遞送系統。根據周圍溶液的溫度（40℃：輸入0,4℃：輸入1）和pH（pH 2：輸入0，pH 12：輸入1），邏輯門分析和控制釋放染料；

b）系統的自上而下的實驗圖像；

c）驗證染料的釋放是由邏輯門控制的。

圖5 AND門連接到OR門后對化學品進行分析和傳輸示意圖

a）通過用邏輯門組裝染料儲存器來制造藥片大小（≈1cm）的獨立化學遞送系統。根據溫度（40℃：輸入0,4℃：輸入1），pH（pH 2：輸入0，pH 12：輸入1）和鹽濃度（1m NaCl：輸入0，去離子 水：輸入1）周圍溶液，邏輯門分析并控制染料的釋放；

b）自上而下的系統實驗圖像；

c）驗證染料的釋放是由邏輯門控制的。

【小結】

作者說明了使用基本響應構建模塊來構建邏輯門的基本原理。一般來說，這種方法具有廣泛的靈活性。進一步的工作可涉及用于構造其它類型的邏輯門或其它復雜操作的閥和水凝膠的其他創造性設計（例如，不同的幾何形狀、尺寸、位置和化學成分）。同時，不同的設計可以導致不同的集成邏輯門的方式。該方法的靈活性的另一個方面是可以不同地設計染料的釋放；該系統可以由多個通道，具有多個閥的通道或兩者的組合組成。除了二進制輸出之外，這些系統可以提供連續變化的響應（例如，通道打開的程度）。另外也可以通過探索系統的不同方面并且集成許多相同類型水凝膠的組合（即，類似于其中相同的電刺激用于控制邏輯門的電子裝置）和不同類型的水凝膠的組合。

文獻鏈接：Performing Logical Operations with Stimuli-Responsive Building Blocks

本文由材料人生物材料組肖穎供稿，材料牛編輯整理。

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