?Nature子刊：力觸發(fā)水凝膠表面快速微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)按需功能！
生物體具有在其表面生長(zhǎng)各種微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)其功能性的能力。在此，來自日本北海道大學(xué)的Tasuku Nakajima &
Jian Ping Gong等研究者，提出了一種基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力觸發(fā)聚合機(jī)制的力戳方法在水凝膠表面生長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Force-triggered rapid microstructure growth on hydrogel surface for on-demand
functions”發(fā)表在Nature Communications上。https://www.nature.com/articles/s41467-022-34044-8在自然界中，生物的許多特定功能，是由它們的表面微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。例如，仙人掌，可以通過其表面粗糙的刺有效地收集和定向輸送水分。另一個(gè)例子是頭足類動(dòng)物顯示動(dòng)態(tài)的皮膚圖案，以回應(yīng)交流和偽裝的刺激。生物表面的這些微結(jié)構(gòu)，通常是通過表面生長(zhǎng)機(jī)制形成的，這為人們?cè)O(shè)計(jì)具有特定功能和應(yīng)用前景的新型仿生材料，提供了良好的范例。最近，人們嘗試通過光照射，在聚合物表面生長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)。使用力作為另一種觸發(fā)來生長(zhǎng)和化學(xué)改造水凝膠的表面，可能是一種仿生方法。與使用熱或光的觸發(fā)器相比，使用力作為觸發(fā)器可能更簡(jiǎn)單、清潔和節(jié)能。目前，力引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的許多分子機(jī)制，已經(jīng)蓬勃發(fā)展。例如，機(jī)械力可以優(yōu)先破壞聚合物鏈上的弱鍵，并在斷裂的末端產(chǎn)生機(jī)械自由基，這些自由基可以引發(fā)周圍單體的聚合。然而，將這種分子機(jī)制應(yīng)用于大塊水凝膠材料，通常具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)樯倭康逆I斷裂，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)水凝膠的災(zāi)難性失敗。因此，這種力引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)難以控制，不能直接應(yīng)用于按需表面組織生長(zhǎng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠是彌合上述分子機(jī)制與材料功能之間鴻溝的優(yōu)良材料。在DN水凝膠中，力引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)可以被宏觀力很好地控制，反應(yīng)非常高效。柔性和可拉伸網(wǎng)絡(luò)的存在，可以有效地抑制粘結(jié)斷裂引起的剛性和脆性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力集中。因此，DN水凝膠中的力激活鍵斷裂并不會(huì)導(dǎo)致材料的災(zāi)難性破壞，而且DN水凝膠內(nèi)部的鍵斷裂量，會(huì)隨著施加在材料上的應(yīng)力/應(yīng)變而增加。研究者已經(jīng)證明，DN水凝膠內(nèi)部通過鍵斷裂產(chǎn)生的機(jī)械自由基濃度足夠高，可以啟動(dòng)水凝膠體中的單體聚合，并改善DN水凝膠的機(jī)械性能。將這個(gè)DN概念應(yīng)用到水凝膠的表面工程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的想法。然而，當(dāng)將這一概念應(yīng)用到表面時(shí)，具體的問題就出現(xiàn)了。DN水凝膠的表面結(jié)構(gòu)，可能與本體非常不同，并取決于合成水凝膠的模板。特別是用玻璃基板合成的典型DN水凝膠的最表面覆蓋了一層1~10 μm厚的軟第二網(wǎng)絡(luò)。因此，在這樣的表面層中不存在雙網(wǎng)效應(yīng)。為了將雙網(wǎng)絡(luò)的概念應(yīng)用于表面化學(xué)改性，需要從具有良好控制的表面雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠開始。在此，研究者實(shí)現(xiàn)了DN水凝膠表面的應(yīng)力/應(yīng)變控制鍵斷，保證了DN水凝膠表面的空間可控結(jié)構(gòu)重塑。這種方法允許在幾秒鐘內(nèi)對(duì)水凝膠表面的形態(tài)和化學(xué)進(jìn)行快速空間調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)按需功能。研究者展示了細(xì)胞的定向生長(zhǎng)和水滴在工程水凝膠表面的定向運(yùn)輸。這種力觸發(fā)法對(duì)水凝膠表面進(jìn)行化學(xué)工程，為傳統(tǒng)的光或熱方法提供了新的工具，將促進(jìn)水凝膠在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。（文：水生）圖1 一種快速生長(zhǎng)DN水凝膠表面微結(jié)構(gòu)的機(jī)械化學(xué)策略。圖2 壓頭尺寸和深度控制的微結(jié)構(gòu)形成。圖3 力觸發(fā)各種聚合物的微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。圖4 可編程微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在水凝膠表面。圖5 一個(gè)展示PNIPA模式DN水凝膠表面生物學(xué)應(yīng)用的例子。圖6 一個(gè)展示了具有條狀PNIPAm模式的DN水凝膠上的受控水運(yùn)輸?shù)陌咐?/span>
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