生物的变态发育过程可以使生物在其生命周期中更好地适应动态环境。在自然界中，有许多生物体都能够在其生命周期的变态发育过程中实现对自己的结构的编辑该表，以便更有效地与环境相互作用。现如今，已经有大量文献报道了可以对外部环境刺激做出响应的水凝胶材料，这些进展在很大程度上丰富了人工水凝胶驱动器/机器人的多功能性，并为许多潜在的应用铺平了道路。但是对于结构可编辑的水凝胶驱动器相关的文章还鲜有被报道。如果这种自然的结构编辑能力被复制，它将显著促进人工水凝胶致动器的发展，通过这种功能可以生产出功能强大的人工水凝胶驱动器，通过编辑其结构以在不同的环境中表现出不同类型的自适应驱动状态。此外，当与视觉荧光输出相结合时，可以进一步探索这种自适应驱动状态，以制造环境交互模式信息传递系统，在信息加密、动态伪装等方面具有巨大的应用潜力。
近期，中科院宁波材料所的陈涛团队通过开发一种通用的逐步内部生长策略，构建具有类似生命的结构编辑能力的概念型荧光水凝胶驱动器。这些驱动器可以执行类似折纸的3D形状变形，也可以通过新结构的生长，通过使用不同的环境键（如温度、pH），适应额外的驱动状态，以适应不同的视觉信息传递。这项研究开辟了以前未被确认的仿生水凝胶驱动器/机器人技术的途径，并扩展了环境-交互式信息加密的潜在用途。该工作以题为“Bio-inspired Structure-editing Fluorescent Hydrogel Actuators for Environment-interactive Information Encryption”的文章发表于Angewandte Chemie上。
可编辑的荧光水凝胶驱动器的设计与制备
为了生产具有结构编辑能力的柔性水凝胶致动器，关键在于建立一种通用的仿生式水凝胶结构生长策略。文章通过界面聚合策略，以Eu3+配位聚6-丙烯酰胺多烷酸钾-co -丙烯酰胺水凝胶装载APS引发剂（15 mg/mL）作为初始水凝胶（Eu-gel）。当Eu-gel与N-异丙基丙烯酰胺、交联剂、天蓝色荧光单体的溶液接触时，APS扩散出去并且引发聚合，因此在接触位置形成（T-Bgel）。这一过程就像自然形态发生过程一样，这种新的水凝胶结构开始于界面，随着生长时间的推移，厚度逐渐增加。扫描电镜图像证明了它与初始水凝胶的键合。相同的方式可以用于pH-Cgel的生长。APS的生长因子可以在凝胶中保存至少17天，并且仍然很容易用于具有0.6 mm厚度的T-Bgel和pH-Cgel结构的生长。
利用这种方式可以生长出不同形态结构。为了保证水凝胶的外形，可以在Eu-gel引入光引发剂，可以利用光掩模的方式控制具体引发聚合的部位，因此可以形成不同字母，不同图案的水凝胶复合结构。文中实验结果清楚地表明，光引发剂可以作为另一种有效的生长因子，赋予水凝胶结构编辑能力。更重要的是，热引发剂（APS）和光引发剂（I2959）可以一起诱导pH-Cgel和T-Bgel在一条Eu-gel凝胶条带两侧的逐步生长
可编辑的荧光水凝胶驱动器应用研究
通过这一策略，分别在Eu-gel条纹上培养T-Bgel和pH-Cgel，产生两个双层凝胶，即T-Bgel/Eu-凝胶和pHCgel/Eu-凝胶。双层T-Bgel/Eu-gel驱动器在高温（40°C）下向T-Bgel层弯曲，因为T-Bgel在体积相变温度（VPTT）以上有收缩的趋势，并伴随着更高的蓝色发射强度。增强的蓝色发射主要是由于这些聚集诱导的发射活性萘酰亚胺在亲水水凝胶基质中的疏水聚集导致。对于pH-Cgel/eu-凝胶致动器，它在酸性条件下对pH-Cgel层弯曲，因为接枝的2-（二甲基氨基）甲基丙烯酸乙基（DMAEMA）部分被质子化以吸收水。通过关闭这些刺激，T-Bgel/Eu-凝胶和pH-Cgel/Eu-凝胶都能够恢复到初始的平坦状态。随后文章展示了编辑其水凝胶结构的过程，以产生一系列具有特定温度序列和pH响应单元的线性驱动器。所有这些线性致动器在环境条件下保持相同的平面几何形状，但在环境pH值或温度变化下表现出明显的三维弯曲和折叠。
除了折纸状形状变形外，还实现了荧光颜色变化行为，因为Eu-gel凝胶中加入的镧系配合物可以在碱性条件下被分解，而pH-Cgel中接枝的萘酰亚胺荧光原可以去质子。红色和黄绿色荧光水凝胶层（长10mm，宽2 mm，含两层1mm）在暴露于碱性溶液后逐渐褪色，在20 min内几乎消失。它们相应的发射光谱进一步证明了这一观察结果，在545 nm和619 nm处的荧光强度分别逐渐降低。这些结果为构建一个仿生软机器人奠定了坚实的基础，该机器人能够通过结构编辑生长来编辑其结构，从而更好地适应动态环境。作为概念验证，还构建了一个章鱼形的初始水凝胶。它的身体和手臂由Eu-gel凝胶，随后构建上不同的凝胶作为触手，得到的水凝胶章鱼能够在高温（40°C）下进行连续的3D形状变形。
文章最后还展示了一个视觉信息传的应用。在254 nm紫外光下字母不可见，而在365 nm紫外光下，字母清晰可见。文中还进一步结构编辑的线性驱动器，通过增加两个额外的pH-Cgel单位继续扩大其环境交互显示功能，使驱动器能够展示三个驱动状态三个不同的信息（“smart”或“CAS”）。
小结：该文展示了第一个能够编辑其结构的人工水凝胶系统，以实现在制造后完成额外的任务。其结构编辑能力来源于已建立的仿生内部生长方法，该方法采用APS和I2959作为生长因子来驱动界面聚合并产生双层驱动水凝胶单元。该策略可以方便地预先确定这些双层单元的生长排列，以实现复杂和可编程的折纸样三维形状变形。此外，当响应性荧光水凝胶结构生长时，颜色/形状同时发生变化。这项研究赋予人工软驱动器具有逼真的结构编辑能力，并利用其自适应驱动行为构建具有环境交互式信息传递功能的先进信息加密系统，为该领域发展提供了新思路。
--纤维素推荐--
--测试服务--
--荐号--