非对称仿生智能水凝胶驱动领域取得系列进展

2018 年 7 月 31 日 中科院之声

高分子水凝胶驱动材料是近年来发展起来的一类具有与生物组织相似的“软、湿态”特性的智能高分子材料，它们能够像生物体一样“感知”各种外部刺激，从而发生可逆形变，因而在仿生驱动器、软质机器人等领域具有巨大的应用潜能。但通常受限于材料自身的成分及结构，这些智能水凝胶驱动材料通常存在难以实现三维复杂形变、难以脱离水环境进行驱动、功能较为单一等问题，限制了其进一步应用。针对现存的问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队研究员陈涛和张佳玮通过构筑系列的非对称性高分子水凝胶及其复合材料体系，实现了其在智能水凝胶驱动器的多功能应用。

通过模仿自然界中生物体的各向异性结构，采用紫外光原位法，他们将氧化石墨烯-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）复合水凝胶中的氧化石墨烯局部还原，从而高度可控地获得了非对称的各向异性结构。以其为模板，在水凝胶未还原区域引入具有不同刺激响应性的第二网络，进一步实现了多重响应（热、光、离子强度和pH响应）的3D复杂形变并设计了一种“仿生抓手”，可在多种外界刺激下，准确抓取特定的目标物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。

由于智能水凝胶驱动材料需要通过与周围水溶液发生物质交换诱导水凝胶的溶胀或收缩，从而实现形状的可逆改变，因而水凝胶驱动材料通常在水相中才能实现驱动功能。构筑可在多种环境实现驱动的水凝胶驱动器，有助于充分发挥智能水凝胶驱动材料的潜能。借鉴含羞草受到外界刺激时叶片闭合、叶柄下垂的机理（水分子在叶枕上下两部分的定向移动），他们利用热响应行为相反的高分子构筑了双层水凝胶（图1）。实验结果表明，通过改变环境温度，水分子可以在两层水凝胶之间定向移动，从而解决了目前智能水凝胶驱动材料需要在水相中才能实现驱动的问题，成功构筑了可在水、油和空气多种环境中运行的驱动器（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 1320），这极大拓展了水凝胶的应用环境。

自然界中的一些动植物（如变色龙、章鱼以及金银花等），不仅可以自驱动（变形或运动），还能在各种外界刺激下，导致身体或皮肤对光的吸收、反射能力或者自身发光性质的变化，从而改变自身的体色，进而达到伪装自己、交流信息等特定目的。然而目前研究的水凝胶驱动材料及其仿生设备，很难兼有复杂驱动和变色两种智能功能。这种智能功能的单一性，严重限制了智能水凝胶材料的进一步应用。针对这一研究中的“瓶颈”，他们基于在智能驱动和智能变色方面长期的研究基础，开发了一种具有3D复杂驱动-智能变色双功能协同的新型智能仿生水凝胶（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568）。通过制备两种水凝胶模块：（1）pH响应性的荧光变色水凝胶，即苝酰亚胺功能化的超支化聚乙烯亚胺(PBI-HPEI)水凝胶；（2）温敏性的智能变形水凝胶，即氧化石墨烯-聚N-异丙基丙烯酰胺（GO-PNIPAM）复合水凝胶。然后通过宏观超分子组装，将收缩状态的智能变形水凝胶和pH响应荧光变色水凝胶粘合得到双层非对称结构，剪成特定的图案并放入冷水中，可直接形成各种预设3D形状。此水凝胶的复杂驱动如同一个开关，可以控制荧光的产生/消失：在初始状态，变色水凝胶被包在了内层，而外层的智能变形水凝胶可遮挡绝大部分的激发光，此时变色水凝胶不能发出荧光；只有当外界温度升高，外层水凝胶收缩并带动整个双层水凝胶发生复杂形变，内层的变色水凝胶才能暴露在激发光源之下并发出黄色荧光；随后，通过改变溶液的pH可进一步调节变色水凝胶的荧光强度（图2）。该研究成功实现了智能驱动和变色功能的协同。

课题组关于智能水凝胶复杂驱动及其与其他智能功能协同的一系列研究，为制备新型的智能水凝胶提供了新思路，推动了智能及仿生系统向更高的智能级别迈进，具有重要的科学意义和巨大的潜在应用价值。

以上工作得到了国家自然科学基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科学基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）的资助以及中科院青年创新促进会的支持（2017337）。