壁虎的斷尾重生：仿生智能高分子水凝膠修復(fù)策略

說起壁虎，你馬上能想到它強(qiáng)大的斷尾再生能力。受此啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)在陳濤研究員的帶領(lǐng)下，提出了水凝膠界面擴(kuò)散聚合(Interfacial Diffusion Polymerization，IDP)的方法，實(shí)現(xiàn)了水凝膠的宏觀精準(zhǔn)生長，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了破損高分子凝膠的修復(fù)。

該工作近期以題為《自由基界面再引發(fā)促使破損高分子水凝膠驅(qū)動器的再生》論文發(fā)表在CCS Chemistry(中國化學(xué)會會刊)上。

高分子水凝膠作為一種具有軟、濕特性的柔性材料，一直以來被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)仿生智能的理想體系，但其脆弱的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得在應(yīng)用過程中往往因局部的破損而失去使用的價(jià)值。近年來，研究人員通過在制備凝膠的過程中引入諸如具有動態(tài)共價(jià)鍵以及超分子作用的官能團(tuán)，制備了一系列具有自愈合功能的高分子水凝膠。

然而，現(xiàn)有的自愈合水凝膠仍然存在以下局限：一是破損凝膠的范圍不宜過大，且修復(fù)時(shí)破損凝膠需被緊密地貼合在一起;二是破損凝膠的傷口必須是新鮮的，凝膠破損后放置過久，其愈合效果會大大下降。

論文第一作者、該團(tuán)隊(duì)博士研究生吳寶意告訴《中國科學(xué)報(bào)》，陳濤團(tuán)隊(duì)一直致力于仿生智能高分子水凝膠的研究，正是因?yàn)樵谝酝渌麑?shí)驗(yàn)中容易在中途發(fā)生凝膠破碎問題，深受其累，他立意開發(fā)出一種凝膠修復(fù)策略，要普適且高效。

壁虎的斷尾重生為研究人員提供了新思路——當(dāng)壁虎為了躲避危險(xiǎn)折斷自己的尾巴后，其斷尾傷口處會大量分泌生長激素，使傷口處的細(xì)胞快速分裂及分化，從而逐漸在斷尾處生長出一條新的尾巴。

該團(tuán)隊(duì)提出的IDP方法，適用于在一系列親水性的基底中生長新水凝膠網(wǎng)絡(luò)，并且通過改變水凝膠預(yù)聚液中的單體種類，從而定制化地生長一系列不同化學(xué)組成的水凝膠。

不僅如此，通過在水凝膠預(yù)聚液中摻雜不同的高分子增稠劑，新生長的凝膠還可獲得一系列新功能。例如，將海藻酸鈉作為增稠劑，生長所得的凝膠便能與鈣離子絡(luò)合實(shí)現(xiàn)水凝膠形狀記憶功能;將具有藍(lán)色熒光的聚合物作為增稠劑，生長所得的凝膠也獲得了相應(yīng)的熒光發(fā)射功能。

得益于IDP方法的高效性與普適性，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高分子水凝膠破損后的定制化修復(fù)：首先在破損位置使用含有丙烯酰胺單體的預(yù)聚液生長出第一層的PAAm凝膠，隨后改用含有N-異丙基丙烯酰胺單體的預(yù)聚液在第一層的基礎(chǔ)上生長得到PNIPAm層凝膠，從而實(shí)現(xiàn)對破損凝膠的修復(fù)，并且與破損前凝膠相比，修復(fù)后的凝膠無論是化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)以及變形功能都恢復(fù)到了初始未受損狀態(tài)。

對比此前的修復(fù)方法，吳寶意解釋說：“在以前的仿生生長工作中，新的水凝膠網(wǎng)絡(luò)僅在內(nèi)部生長，因此僅能增強(qiáng)其力學(xué)性能，而IPD方法是‘由內(nèi)向外’，并且實(shí)現(xiàn)了毫米級別、肉眼可見的生長。同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了對生長過程的速度與位置的精準(zhǔn)調(diào)控，從而達(dá)到定制化修復(fù)破碎水凝膠的目的。”

CCS Chemistry審稿人認(rèn)為，這種方法可以修復(fù)受損的水凝膠，或創(chuàng)建不同成分的復(fù)雜水凝膠模式。(作者：張楠)

標(biāo)簽： 斷尾重生 仿生智能高分子水凝膠 修復(fù)策略 高分子水凝膠