功能水凝胶的多尺度仿生法

引言

天然的水凝胶是一种对有机体非常重要的物质。而随着人工水凝胶的问世，多年以来，研究人员一直致力于从天然水凝胶中汲取灵感，从而开发水凝胶材料的应用潜力。时至今日，人工水凝胶材料已经具有刺激响应、自愈合以及超浸润性等性能，力学性能上也进步巨大，在软机器、人造器官、可再生医学等领域均具有广泛的应用。然而，与天然水凝胶相比，人工水凝胶材料依然存在着结构单一、功能不成熟的缺陷。因此，天然水凝胶如活体组织等在未来依然可以为人工水凝胶的发展提供无限的灵感；而近年来，从不同尺度进行仿生的水凝胶材料在不断地出现^[1]，也表明人工水凝胶的发展之路还很长。

单体仿生

作为人工聚合物材料的基本构成单位，有机单体有时候能够决定材料的基本性质。而与之对应，在自然界中氨基酸、核苷酸、单糖等也充当了单体的角色，作为构建蛋白质、DNA以及多糖的基本构成单位。受此影响，研究人员认为在单体尺度进行仿生也能影响水凝胶材料的特定性质。

图1仿生干/湿杂化粘附剂的设计^[2]

从单体进行仿生制备水凝胶最经典的例子莫过于贻贝仿生胶黏剂的诞生。贻贝在水中可以分泌的一种粘附蛋白，使其得以在水下对湿润表面具有非常强的粘附力。深入研究发现，这种蛋白质中存在着高含量的邻苯二酚类氨基酸——左旋多巴（DOPA）。于是当人们在胶黏剂中添加了DOPA类物质，能够显著增强材料的界面粘附力。进一步地，研究人员利用邻苯二酚类单体改性聚合物，模仿DOPA形成含有大量邻苯二酚的共聚物。如图1所示，将这种聚合物涂覆在PDMS模具表面，可以形成仿生壁虎足的粘性材料，其在湿润环境中的粘性增强了15倍之多。经过上千次的粘附-脱附循环后，这种材料在干/湿环境中依旧能维持粘附性能^[2]。

随后，有研究又发现邻苯二酚与铁之间的配位作用可以影响贻贝足丝线的硬度和自愈能力。因此，Holten-Andersen^[3]等人发展了一种利用pH调控邻苯二酚-铁离子聚合物间配位交联的方法，并制备新型的可自愈合水凝胶，其弹性性能甚至接近与共价交联的聚合物材料。这一工作的发现直接推动了邻苯二酚化学的发展，使邻苯二酚及其衍生物成为了水凝胶领域最受欢迎的交联剂之一。

聚合物仿生

当单体聚合就会形成聚合物，而如果构成聚合物的单体超过一种，那聚合物中的单体构成序列（monomer sequence）则会影响聚合物的性质。例如，生物大分子如DNA和蛋白质就具备有精准可控的单体序列和分子量，可以很好地满足功能需求。但是在合成聚合物领域，要想获得精准可控的聚合物一直是领域的重点难题；通过选择具有特定序列的单体来设计具有精巧结构、特定功能的聚合物更是难上加难。

目前来说，制备序列可控聚合物水凝胶的方法可以分为两类。一类是生物大分子基水凝胶，在这类水凝胶中，聚合物链是由具有明确序列的蛋白质及其嵌段共聚物构成的。而在这些水凝胶中，蛋白质能够自组装形成纳米结构或者交联区域，使得水凝胶能够具备响应pH、温度和离子强度的能力。有研究^[4]就表明，含有苏氨酸的水凝胶对细胞粘附具有序列选择性；而丝氨酸基序列更容易促进细胞增殖以及细胞群的大规模增长。

图2阳离子-π辅助聚合的共聚物设计策略^[5]

另一类就是序列可控的人工聚合物基水凝胶。和蛋白质相比，目前具有可控序列的人工聚合物报道较少，合成难度也更大。但是越来越多的研究表明，相对于无规序列聚合物，嵌段序列的聚合物在凝胶时间等方面均具有选择性。近来，Fan^[5]等人利用阳离子-π复合物辅助自由基聚合形成了具有相邻阳离子-芳香基团序列的共聚物。尽管这一聚合物含有50%的疏水芳香单体，但是阳离子的静电排斥效应避免了芳香基团在极性溶剂的聚集，导致聚合物在DMSO和水中均具有良好的溶解性；与之对应，相同组分的无规序列共聚物则表现出难溶的特点。更重要的是，在海水环境中，盐离子屏蔽了长程静电排斥效应，加剧了聚合物链内/链间的阳离子-π键及疏水作用，促使聚合物溶液出现成胶现象。与此相反，不具有相邻序列特征的聚合物所形成的的水凝胶则表现出了非常微弱的粘附能力，进一步说明聚合物序列与水凝胶性能之间存在关系。

分级结构仿生

水凝胶本质上是相互交联的聚合物网络结构。然而由于聚合物的分子量分布非常宽，导致人造水凝胶的网络结构均一程度低。利用低分子量嵌段共聚物或者选择特定的交联剂来改善由于网络均一性低造成的如局部应变等问题。不仅如此，天然水凝胶通常具有多级网络结构的特征。在人工水凝胶中存在的双网络结构就是这类分级仿生的最简化模型。特别是在骨组织工程中，双网络水凝胶由物理性能截然不同的聚合物相互穿插形成：其中一种硬度高、脆性大；而另外一种则是软性可拉伸聚合物网络。通常，硬度高的网络由有机-无机杂化材料构成，力学性能上能够模仿骨头；而软性可拉伸网络则保证了在外力作用仍然具备维持有效应力作用。通过构建这一类双网络水凝胶，为研究和仿生软骨组织提供了新的思路^[6]。

图3含有钛酸盐纳米片水凝胶表现出各向异性的力学特点^[7]

生物组织中的各向异性结构也为水凝胶设计提高了灵感，这类各向异性结构广泛存在于肌肉或者腱组织中。例如利用强磁场，Aida课题组^[7]将单层的钛酸盐纳米片集成到水凝胶中。通过磁力作用，钛酸盐纳米片在胶体溶液中更倾向于同轴排列形成准晶体取向，再利用原位乙烯聚合作用可以进一步在水凝胶中固定钛酸盐纳米片并形成各向异性结构。在这一结构中，平行施加于纳米片的剪切力能够轻易使纳米片变形；而正交施加的压力则不能使纳米片发生形变（图3）。研究人员认为这一各向异性的力学特点与软骨组织相似，为材料的生物应用提供了机会。

几何形貌仿生

具有功能的生物结构通常也具有非常特殊的几何学和形貌特征，因此通过仿生制备宏观几何形貌上与生物结构类似的水凝胶，也可能会呈现出特定的功能。章鱼足就是一个广受关注的仿生对象，其用肌肉驱动来控制足内压力，在界面具备可开关的粘附性能。受此启发，有研究^[8]发明了一种智能粘性板。如图4所示，在这种粘性板中，空腔-图案化的PDMS膜作为弹性基质，温敏性的pNIPAM水凝胶则涂覆在基质顶部形成温敏性致动壁。pNIPAM在低临界溶解温度（约为32℃）时能够发生剧烈的体积变化，因此涂覆在PDMS上的水凝胶就可以随着温度变化控制空腔的变化。在智能粘性板与目标表面接触后，随着温度升高，水凝胶体积发生皱缩致使空腔体积增大，因此腔内压力减小而诱发了粘性板的粘附能力；当粘性板冷却后，水凝胶溶胀并减小空腔体积，缩小了腔内外的压力差，从而减弱了粘性板的粘性，高度模仿了章鱼足的运动。这一智能粘性板可以被用于半导体微纳膜的转印过程，利用此法转印制备了在硅基质上的InGaAs晶体管，展现出了优异的场效应迁移行为和理想的开关电流。

图4仿生章鱼足的智能粘性板^[8]

除此之外，仿生电鳗生理结构的阳离子-阴离子重复性水凝胶膜能够利用微室之间的离子梯度来产生电势差超过100V的电力^[9]；仿生柳叶鳗可以制备高速、高驱动、透光透水的水凝胶^[10]；仿生动物变色结构发明了可自愈合的结构色水凝胶^[11]；以及受到河豚几何形貌启发制备的可长期维持的水凝胶器件，其溶胀速率快、溶胀比高，可以用作在胃部长期停留并检测生理状况的可吸收器件^[12]。

“新陈代谢”仿生

图5模仿肌肉锻炼强化水凝胶^[13]

非平衡态（out-of-equilibrium state）在生物系统是比较常见的状态，例如肌肉利用代谢过程可以根据周遭的力学环境自主地进行生长或者萎缩。这也为发展新型水凝胶提供了思路。近期，北海道大学的龚剑萍课题组^[13]发现在双网络水凝胶中仿生 “代谢”过程可以在力学训练后促进水凝胶的愈合甚至强化水凝胶自身。在这一水凝胶系统中，研究人员通过打破水凝胶网络来模仿肌肉损伤；而从外部环境中提供单体重塑网络则模仿了生物系统提供营养物质修复损伤的过程。就像在健身训练过程肌肉得到不断地锻炼和提升一样，双网络水凝胶借由应力发生不断的破坏-重建，并在该过程中产生机械化学自由基（图5），持续地单体供给与自由基反应生成新的网络结构，由此不断经历“损伤-修复”的水凝胶可以得到强化，如经过训练的肌肉一样变得更加“健壮”。

参考文献

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。

本内容为作者独立观点，不代表材料人网立场。

未经允许不得转载，授权事宜请联系kefu@cailiaoren.com。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。