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  近日，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏副研究員團隊研發出一種離子交聯型水凝膠，首次報道了通過生物兼容性離子（Na⁺/Ca²⁺）觸發水凝膠可控三維形變，并揭示了其內外反轉三維可逆形變機制。相關研究結果以論文“Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels”在Science合作期刊Research上在線發表（Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296）。

  近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但傳統材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調控手段面臨安全性挑戰，由此極大限制了傳統生物材料醫學應用。如何成功實現傳統生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。

圖 1. 海藻酸鈉水凝膠在NaCl溶液中反轉形變

  為解決該挑戰，杜學敏研究團隊基于前期在材料可控形變設計經驗（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創新性地仿生自然中觸之形變植物的構造原理，通過表面定向排列微陣列結構與自上而下的梯度交聯設計結合，成功實現鈣離子交聯的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發現三維螺旋形會逐漸變形為二維平面結構，最終結構進一步反轉形成微通道朝外的反向三維螺旋結構。當反轉形變后的三維螺旋結構重新浸泡在0.1 M CaCl₂溶液中時，樣品會恢復到微通道朝內的初始三維螺旋結構。非常有意思的是，將三維形變水凝膠置于NaCl與CaCl₂的混合溶液中，通過調節溶液中Na⁺/Ca²⁺濃度比例，還可成功“凍結”海藻酸鈉水凝膠三維動態形變過程中的瞬態形狀。而且，通過耦合多種不同取向微陣列結構，成功實現了類似DNA分子的雙螺旋結構，及自然界中各種復雜花的三維形狀，還成功模擬了仿生花在離子溶液中動態綻放與閉合。

圖2. （A）具有表面定向排列微通道以及自上而下交聯度梯度的海藻酸鈉水凝膠結構示意圖；（B）冷凍干燥海藻酸鈉水凝膠上中下三個區域的SEM圖；（C-G）海藻酸鈉水凝膠在不同處理條件下不同區域的楊氏模量曲線與楊氏模量分布圖

圖3. （A-E）海藻酸鈉水凝膠的多種復雜三維結構圖（T形、H形、三通管狀結構、雙螺旋、串聯三螺旋）；（F-H）基于海藻酸鈉水凝膠的多種仿生花形貌圖；（I）仿生花在離子溶液中動態綻放閉合圖

  該項研究揭示了應用廣泛的海藻酸鈉水凝膠的三維形變設計機制，不僅為傳統材料可控形變設計提供了一種普適性方法，而且將極大拓展可控形變與響應性海藻酸鈉等水凝膠在再生醫學與柔體機器人等領域廣泛應用。該研究工作得到了科技部重點研發專項（2017YFA0701303）與粵港科技合作資助計劃（2017A050506040）等項目的資助。

  論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/6398296/ 

相關論文：

1. Xuemin Du, Huanqing Cui, Qilong Zhao, Juan Wang, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Inside-out 3D reversible ion-triggered shape-morphing hydrogels, Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296.

2. Qilong Zhao, Juan Wang, Huanqing Cui, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Xuemin Du, Programmed shape-morphing scaffolds enabling facile 3D endothelialization, Advanced Functional Materials, 2018, 1801027.

3. Xuemin Du, Huanqing Cui, Bin Sun, Juan Wang, Qilong Zhao, Kai Xia, Tianzhun Wu, Mark S. Humayun, Photothermally triggered shape-adaptable 3D flexible electronics, Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120.

4. Lidong Zhang, Pan?e Naumov, Xuemin Du, Zhigao Hu, Juan Wang, Vapomechanically responsive motion of microchannel-programmed actuators, Advanced Materials, 2017, 29, 1702231.