中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)等發(fā)展出天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略


近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所納米調(diào)控中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略:通過交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同調(diào)控殼聚糖水凝膠三維形變,并揭示其可控三維形變力學(xué)機(jī)制。相關(guān)論文以《單組分天然多糖水凝膠形態(tài)編輯》(Editing the Shape Morphing of Mono-component Natural Polysaccharide Hydrogel Films)為題在Science合作期刊ResearchResearch, 2021, 2021, 9786128. DOI: 10.34133/2021/9786128)上在線發(fā)表,客座學(xué)生胡豪和深圳先進(jìn)院黃超博士為本文的共同第一作者,深圳先進(jìn)院喻學(xué)鋒研究員Massimiliano Galluzzi副研究員、浙江大學(xué)肖銳研究員為論文的共同作者,杜學(xué)敏研究員和湘潭大學(xué)葉強(qiáng)博士是該論文共同通訊作者。

近年來,可控三維形變高分子材料在生物電子、醫(yī)用機(jī)器人、組織工程與人工器官等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但具有良好生物相容特性的傳統(tǒng)材料要么欠缺形變能力,要么實(shí)現(xiàn)可控形變的方法極其復(fù)雜,極大限制這類生物材料的實(shí)際應(yīng)用。如何通過簡單易行且具普適性的策略實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生物材料的可控三維形變,仍是這類材料在生物醫(yī)學(xué)醫(yī)用領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為此,杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)基于前期仿生含羞草可控三維形變工作基礎(chǔ)(Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Research, 2019, 2019, 6398296; Adv. Funct. Mater., 2020, 1909202; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120),及這類形變材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的迫切需求(Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027; Natl. Sci. Rev., 2020, 7, 629; Adv. Mater. Technol., 2019, 4, 1900566; J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 3519; Microsyst. Nanoeng., 2020, 6, 58; Lab on a Chip, 2020, 20, 4321),創(chuàng)新性地提出僅通過尺寸效應(yīng)與自上而下的交聯(lián)梯度結(jié)合,實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜三維形態(tài)可控編輯(視頻1)。

視頻1:殼聚糖水凝膠薄膜可控三維形變


首先,研究人員利用交聯(lián)劑自上而下滲透擴(kuò)散帶來的交聯(lián)梯度,實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜的上下表面溶脹度差異;在此基礎(chǔ)上,研究人員通過調(diào)節(jié)水凝膠薄膜尺寸(長、寬、厚),即可實(shí)現(xiàn)殼聚糖水凝膠薄膜從二維平面形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?、短管、長管等三維卷曲形態(tài),并通過受力分析揭示其形變過程中的力學(xué)機(jī)制。進(jìn)一步,研究人員將不同尺寸的凝膠薄膜設(shè)計(jì)到一起,即可實(shí)現(xiàn)一系列類似風(fēng)車、花朵等復(fù)雜三維形態(tài),且還可通過pH刺激調(diào)控其三維形態(tài)(圖2)。
中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)等發(fā)展出天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略的圖1
圖2. (a)殼聚糖是從蝦蟹等甲殼中提取的天然多糖(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))(b)殼聚糖(CS)水凝膠自上而下交聯(lián)梯度設(shè)計(jì)示意圖;(c)殼聚糖水凝膠薄膜三維形態(tài)可控編輯相圖;(d)殼聚糖水凝膠復(fù)雜三維形態(tài)可控編輯。

該研究發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略,該策略既無需復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),又無需多組分材料復(fù)合,僅通過交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同,即可實(shí)現(xiàn)單組分傳統(tǒng)高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯,且該簡單易行的形態(tài)編輯策略還可普適拓展到如海藻酸鈉等高分子材料中。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFA0701303)、國家自然科學(xué)基金(52022102)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2019353)、深圳市(JCYJ20180507182051636,KQJSCX20180330170232019)等科技項(xiàng)目資助。


原文鏈接:

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9786128/


來源:深圳先進(jìn)院醫(yī)工所納米調(diào)控中心


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