一、鎖志剛（哈佛大學(xué)）

擠出打印是一種很有前途的快速成型方法，但現(xiàn)有的方法不能滿足基本要求：打印水凝膠和彈性體的整體結(jié)構(gòu)，按任意順序，具有很強的附著力。對此問題，哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊與西安交通大學(xué)唐敬達(dá)實驗室合作共同提出一種軟結(jié)構(gòu)3D打印的強韌粘接技術(shù)，實現(xiàn)了具有超強界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印1。

圖1-打印水凝膠和彈性體整體結(jié)構(gòu)的方法示意圖

研究人員將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調(diào)節(jié)彈性體預(yù)聚液和水凝膠預(yù)聚液的粘度，將兩者以任意順序3D打印在一起，然后引發(fā)聚合反應(yīng)，形成具有強韌粘接的水凝膠/彈性體復(fù)合體。該方法不同于常用的表面改性，采用本體改性的策略，可為可拉伸器件、軟機(jī)器制備以及其它異質(zhì)材料的復(fù)合3D打印提供一種通用的解決方法，如圖1。即在印刷打印過程中，每一種材料的墨水都在壓力梯度下流過噴嘴，但在重力和毛細(xì)作用下仍能保持形狀。固化過程中形成共價鍵，將單體單元連接成聚合物鏈，將聚合物鏈交聯(lián)到水凝膠和彈性體的聚合物網(wǎng)絡(luò)中，并將兩個聚合物網(wǎng)絡(luò)連接成一個整體結(jié)構(gòu)。該方法通過在其中一種油墨中添加一種鏈接引發(fā)劑，將水凝膠網(wǎng)絡(luò)和彈性體網(wǎng)絡(luò)共價連接起來。黏附能在5000 J /m 2以上。打印出來的變形結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受住腫脹，而打印出來的人造軸突能夠經(jīng)受住錘子的反復(fù)擊打。這種方法為開發(fā)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工程的軟設(shè)備開辟了道路。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Printing Hydrogels and Elastomers in Arbitrary Sequence with Strong Adhesion”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。

柔性可拉伸材料（高彈體、凝膠等）在可拉伸電子器件、軟體機(jī)器人、藥物釋放和組織再生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。大多數(shù)應(yīng)用場景需要可拉伸材料具有低滯后性和高韌性--即材料在正常工作范圍內(nèi)的拉伸和恢復(fù)過程中耗散較少的能量，當(dāng)出現(xiàn)裂紋時在裂紋尖端區(qū)域耗散較多的能量以阻止裂紋的擴(kuò)展。但是，材料的韌性和滯后性通常具有正相關(guān)性，從而不能同時滿足以上要求。例如，單聚合物網(wǎng)絡(luò)的高彈性彈性體或水凝膠具有低滯后和低韌性。單一網(wǎng)絡(luò)通常通過添加填料或者加入第二層網(wǎng)絡(luò)引入犧牲鍵來增韌，但犧牲鍵的斷裂和重建可能會導(dǎo)致明顯的滯后。從而使其無法應(yīng)用到軟體機(jī)器人、傳感器和制動器等器件中。并且不管引入的犧牲鍵是否能自修復(fù)，這一類韌性材料的疲勞閾值都遠(yuǎn)低于其斷裂韌性。

圖2-具有不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可拉伸材料的韌性和滯后性

針對這一問題，美國哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊提出了一種打破韌性和滯后相關(guān)性，同時實現(xiàn)高韌性和低滯后性的設(shè)計原理2。利用這一工作原理，通過制備低彈性模量基體和高彈性模量纖維的復(fù)合材料，它破壞了韌性與滯后的關(guān)系，實現(xiàn)了高韌性和低滯后。復(fù)合材料保留了較低的滯后，但是具有較高的韌性（10000 J/m2）和抗疲勞性能。通過實驗和計算，確定了大模量對比降低了裂紋前沿的應(yīng)力集中，強附著力使纖維與基體結(jié)合，抑制了纖維與基體之間的滑移。高韌性、低滯后的可拉伸材料為高循環(huán)、低功耗的軟機(jī)器人和軟人機(jī)界面的創(chuàng)造提供了機(jī)會。如圖2，在裂紋尖端，纖維和基體的高模量比能顯著降低裂尖附近的應(yīng)力集中，使一大段纖維被高度拉伸。當(dāng)纖維斷裂時，整個高度拉伸區(qū)域內(nèi)的彈性能被釋放。這一過程類似于單一聚合物網(wǎng)絡(luò)的斷裂過程。但是在單一聚合物網(wǎng)絡(luò)中，只有裂尖的一層分子鏈被高度拉伸，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時，存儲在這一層分子鏈中的彈性能被釋放。而復(fù)合材料中的高度拉伸區(qū)域的尺寸高出分子鏈長度數(shù)個數(shù)量級，從而實現(xiàn)高韌性。只要基體和纖維材料具有低滯后，并且界面粘接足夠強，合成的復(fù)合材料就能保持低滯后性。同時材料的抗疲勞性能也能得到顯著提升。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Stretchable materials of high toughness and low hysteresis”為題發(fā)表在國際著名期刊PNAS上。

近年來，水凝膠基軟器件得到了廣泛的發(fā)展。例如，軟機(jī)器人，類皮膚傳感器，可拉伸光纖，透明摩擦發(fā)電機(jī)，和可拉伸電離能器件。這些應(yīng)用的工作條件涉及長時間的重復(fù)機(jī)械載荷，因此水凝膠不僅需要長時間維持其功能，而且需要長時間保持良好的機(jī)械強度和可拉伸性。但是，所有的水凝膠都存在不同程度的空洞、裂紋、雜質(zhì)等缺陷，易發(fā)生斷裂。由此，大多數(shù)堅韌的水凝膠都是通過吸收破壞犧牲鍵的巨大能量損耗而設(shè)計的。然而，這些水凝膠在長時間的循環(huán)載荷作用下仍然會斷裂，甚至出現(xiàn)小的裂紋。

圖3-制備了具有PVA晶體結(jié)構(gòu)的對缺陷不敏感的PAAm-PVA-S水凝膠

基于此，哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊提出了靜載和循環(huán)載荷作用下對裂紋不敏感的水凝膠的工作原理。該設(shè)計使水凝膠中的聚合物鏈在分子水平上對齊，以偏轉(zhuǎn)裂紋3。為了證明這一原理，以聚丙烯酰胺和聚乙烯醇為原料，制備了一種晶域排列整齊的水凝膠，如圖3。當(dāng)水凝膠在準(zhǔn)直方向拉伸時，初始缺陷裂紋偏轉(zhuǎn)，沿加載方向傳播，將材料剝離下來，水凝膠又變得完美無瑕。這種水凝膠對已經(jīng)存在的缺陷不敏感，即使在一萬多次加載循環(huán)下也不敏感。通過實驗和斷裂力學(xué)計算，確定了各向異性達(dá)到裂紋撓度的臨界程度。并且該原理可推廣到其它水凝膠體系。研究團(tuán)隊并將相關(guān)研究成果以“Flaw-Insensitive Hydrogels under Static and Cyclic Loads”為題發(fā)表在著名期刊Macromolecular Rapid Communication上。

二、趙選賀（麻省理工學(xué)院）

生物電子與人體的交互作用，包括電刺激和神經(jīng)活動的記錄，是神經(jīng)科學(xué)與工程、診斷、治療、可穿戴和可植入設(shè)備等領(lǐng)域快速發(fā)展的基礎(chǔ)。由于軟的、濕的和活的生物組織與硬的、干的和合成的電子系統(tǒng)之間的內(nèi)在差異，在這兩個不同領(lǐng)域之間開發(fā)更兼容、更有效和更穩(wěn)定的接口一直是科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。近年來，水凝膠因其與生物組織的相似性以及在電氣、機(jī)械和生物功能工程方面的多功能性，成為下一代生物電子界面的一種有前途的候選材料。

圖4-水凝膠可以在生物學(xué)和電子學(xué)之間架起橋梁，為生物電子學(xué)的應(yīng)用提供廣闊前景

由此，麻省理工學(xué)院趙選賀研究團(tuán)隊首次提出水凝膠是人機(jī)界面的最理想載體之一，系統(tǒng)定義了水凝膠生物電子學(xué)的基本原理和材料設(shè)計原則，給出了現(xiàn)有的水凝膠電子材料的例子，并建議了水凝膠生物電子學(xué)未來發(fā)展的方向4。如圖4，論文中主要綜述了（i）組織-電極相互作用的基本機(jī)理，（ii）水凝膠與人體生物電氣界面的獨特優(yōu)勢，（iii）生物電子學(xué)水凝膠發(fā)展的最新進(jìn)展，以及（iv）未來水凝膠生物電子學(xué)設(shè)計的合理指南。水凝膠生物電子學(xué)的進(jìn)步將為生物學(xué)和電子學(xué)的緊密結(jié)合帶來前所未有的機(jī)遇，有可能模糊人類和機(jī)器之間的界限。研究團(tuán)隊將特邀綜述論文以“Hydrogel bioelectronics”為題發(fā)表在國際頂級期刊Chemical Society Reviews上。

在現(xiàn)代的醫(yī)療技術(shù)手段中，與生物體相互作用的裝置通常是由金屬、硅、陶瓷和塑料制成。而為了長期監(jiān)測或治療，植入此類設(shè)備通常是侵入性程序。這樣會給病人或醫(yī)生帶來相當(dāng)大的痛苦和麻煩。比如做胃鏡，有時甚至需要麻醉，如此給病人帶來極大的痛苦和傷害，并且這些通常的可服用器件大多受限于胃腸運轉(zhuǎn)時間，最多在消化道滯留1-2天，不能長期監(jiān)測體征。而水凝膠具有良好的機(jī)械順應(yīng)性和生物相容性，為人機(jī)交互提供了新的機(jī)遇。使用水凝膠來完成胃的駐留需要水凝膠膨脹得非常快，并且隨著時間的推移能夠承受胃的機(jī)械力。然而，現(xiàn)有的水凝膠中，高膨脹比、高膨脹速度和不具有長期保持強度的特點。

圖5-水凝膠器件的設(shè)計方案

基于此，麻省理工學(xué)院趙選賀研究團(tuán)隊首次提出并實現(xiàn)可食用水凝膠電子設(shè)備，實現(xiàn)了吃一顆“果凍”，就可以長期監(jiān)控核心體征例如溫度、pH、進(jìn)食和吃藥情況、以及消化道病變30天5。研究團(tuán)隊的解決方案是根據(jù)河豚的啟發(fā)，將水凝膠設(shè)計成膠囊型，如圖5，該膠囊由兩種材料的水凝膠組成。膠囊內(nèi)部是聚丙烯酸鈉，一種超吸水水凝膠顆粒，能夠?qū)崿F(xiàn)快速吸水和大體積溶脹。口服水凝膠膠囊只有一粒藥丸大小，口服后在胃中快速吸水膨脹體積100倍左右，能夠長期滯留在胃腔內(nèi)部。該水凝膠器件在胃中可以同時保持柔軟性和抗疲勞性：一方面，它能夠?qū)崿F(xiàn)與胃腔膜的柔性接觸，避免磨損胃腔，引起胃潰瘍等不良排異反應(yīng)；另一方面，能夠長期抵抗胃腔的機(jī)械蠕動和胃酸的化學(xué)腐蝕。此外，通過在水凝膠中嵌入電子傳感器 （例如溫度傳感器），可以持續(xù)監(jiān)測核心體征（例如胃內(nèi)溫度）長達(dá)一個月。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Ingestible hydrogel device”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature Communications上。 

長期穩(wěn)定高效的人機(jī)界面交互及融合過程中要求界面材料同時具備高電導(dǎo)率、優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的生物兼容性以及與人體組織匹配的力學(xué)性能。導(dǎo)電聚合物水凝膠是實現(xiàn)人體和生物電子設(shè)備完美兼容的理想界面材料之一，然而現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠很難兼顧滿足應(yīng)用需求的電學(xué)、力學(xué)、生物兼容性及穩(wěn)定性。 導(dǎo)電聚合物的水凝膠，特別是聚（3,4-乙二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS），由于其良好的電氣和機(jī)械性能，為傳感和刺激生物組織提供了一個有前途的電氣界面。

圖6-純（PEDOT:PSS）水凝膠的制備圖

由此，麻省理工學(xué)院趙選賀研究團(tuán)隊提出形成穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物納米纖維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是獲得高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠的關(guān)鍵，同時發(fā)明了一種簡單有效的方法，用來設(shè)計高性能聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽） （PEDOT:PSS）水凝膠6，如圖6。所報道的純PEDOT:PSS水凝膠電導(dǎo)率可達(dá)40 S/cm，力學(xué)性能良好（拉斷伸長率大于35％，楊氏模量2 MPa），同時具有良好的電學(xué)、電化學(xué)及力學(xué)穩(wěn)定性。純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠的制備有助于加深人們對高性能導(dǎo)電水凝膠合理設(shè)計的理解，優(yōu)越的機(jī)械、電氣和電化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)濕的生理環(huán)境中各向同性和各向異性腫脹，為新一代生物電子產(chǎn)品制作及應(yīng)用提供了更佳的材料平臺。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Pure PEDOT:PSS hydrogels”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature Communications上。

水凝膠在設(shè)備和機(jī)器中的新應(yīng)用要求水凝膠在循環(huán)機(jī)械載荷下保持韌性和強度。當(dāng)水凝膠在單周機(jī)械載荷作用下能夠抵抗斷裂時，這些增韌凝膠在多周載荷作用下仍然會發(fā)生疲勞斷裂。水凝膠是人造軟骨、關(guān)節(jié)和椎間盤的理想替代材料。這些應(yīng)用要求水凝膠具備循環(huán)加載下的抗疲勞性能。現(xiàn)在報道的合成水凝膠的疲勞閾值在1到100 J/m2之間，因而設(shè)計具有抗疲勞斷裂的水凝膠仍是軟材料領(lǐng)域的一大難題。

圖7-抗疲勞斷裂水凝膠的設(shè)計原理

人體的韌帶肌肉大概每年承受幾百萬次兆帕級的應(yīng)力，并且保持疲勞閾值在1000 J/m2以上。韌帶肌肉中膠原蛋白的有序晶區(qū)可能是它們抗疲勞的原因。受生物組織啟發(fā)，麻省工學(xué)院的趙選賀研究團(tuán)隊提出，設(shè)計抗疲勞斷裂水凝膠需要使單位面積能量的疲勞裂紋遇到斷裂能遠(yuǎn)高于一層聚合物鏈的物質(zhì)7。例如納米晶域等，如圖7。并研究證明，控制水凝膠中結(jié)晶度的引入可以顯著提高其抗疲勞斷裂性能。膨脹狀態(tài)下結(jié)晶度為18.9%的聚乙烯醇（PVA）疲勞閾值可超過1000 J/m2，抗疲勞設(shè)計原理可以用來指導(dǎo)開發(fā)具有長期使用價值的水凝膠設(shè)備和器械。研究團(tuán)隊并將相關(guān)研究成果以“Anti-fatigue-fracture hydrogels”為題發(fā)表在國際著名期刊Science Advances上。

三、江雷（中國科學(xué)院院士）維度異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系中的范德華整合策略

隨著科技和社會的發(fā)展，海洋開發(fā)變得越來越必要和頻繁。在這一過程中，海洋生物污損現(xiàn)象十分嚴(yán)重，主要是指海洋生物在材料表面附著和聚集。從而帶來不利的影響。比如，會因此增大船只的阻力，導(dǎo)致航速下降，油耗增加；加速材料老化腐蝕等問題，其造成了的大量的經(jīng)濟(jì)損失。為了克服這些困難，已經(jīng)采取了許多措施。目前的海洋防污策略大部分還屬于無差別毒殺，不僅效率低，而且還可能導(dǎo)致毒物通過生物鏈富集再被人食用。因此，發(fā)展一種高效、環(huán)保的海洋防污方法仍是當(dāng)務(wù)之急。其中硅藻的粘附是海洋生物污染過程中的最嚴(yán)重的問題之一。

圖8-SOSA凝膠制備示意圖

基于此，中科院理化所江雷院士研究團(tuán)隊和海南大學(xué)郝萬軍教授合作首次提出利用原硅酸類似物誘導(dǎo)硅藻攝取，進(jìn)而干擾硅藻正常的生命活動，最終實現(xiàn)抗硅藻附著8。由于硅藻合成二氧化硅外殼需要大量攝取硅酸，而人和其他海洋生物并不吸收硅酸。針對這一差異，研究團(tuán)隊使用一種人工合成的原硅酸類似物（SOSA），如圖8。3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（TMSPMA），通過共聚固定在凝膠中并水解得到帶有三個硅羥基的SOSA，制得柔韌的抗硅藻附著凝膠。在水凝膠中，SOSA具有與原硅酸非常類似的三個Si-OH，并且還有一個在水中穩(wěn)定的C-Si鍵。當(dāng)這些物質(zhì)被凝膠表面的污損硅藻攝取之后，由于其中的C-Si鍵相對比較穩(wěn)定，不會像原硅酸一樣縮合形成二氧化硅外殼，所以硅藻的正常生命活動將出現(xiàn)紊亂，最終影響硅藻的附著行為。詳細(xì)研究表明，含SOSA的水凝膠具有良好的抗硅藻粘附性能，SOSA的抗硅藻作用是有針對性的，只有試圖粘附在SOSA水凝膠表面的生物體受到影響。SOSA水凝膠具有高效、環(huán)保的特性，在海洋防污方面具有廣闊的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Preventing diatoms adhesion using a hydrogel with orthosilicic acid analog as deceptive food”為題發(fā)表在國際著名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

在生命體細(xì)胞信號的傳遞中，離子分布調(diào)控在生物轉(zhuǎn)變中是十分重要的。如維持細(xì)胞的離子平衡，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及能量采集。納米通道門控機(jī)制可以通過各種觸發(fā)物質(zhì)來實現(xiàn)離子分布的調(diào)控，如pH、電壓、溫度以及光等的刺激都能實現(xiàn)控制離子或分子在人工離子通道中的傳輸及分布。近年來DNA納米技術(shù)發(fā)展迅速，特別是核酸在外界刺激下的可逆轉(zhuǎn)變響應(yīng)及其豐富的刺激源，使DNA納米技術(shù)十分適用于離子通道門控機(jī)制的實現(xiàn)。然而，由于DNA門控納米通道的單層結(jié)構(gòu)中存在少量的DNA基質(zhì)，以及納米通道的尺寸較小，導(dǎo)致其離子轉(zhuǎn)運選擇性（整流比）和效率（離子通量）有限，這是近年來DNA門控納米通道研究的不足之處。此外，在現(xiàn)有的DNA納米通道中，陰陽離子傳輸?shù)姆较虿⒉荒艿玫娇刂啤Ｒ虼耍瑸榱颂岣逥NA納米通道中離子傳輸能力，實現(xiàn)可重構(gòu)的DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計是必要的。

圖9-離子通道制備過程以及DNA水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成和過渡過程示意圖

由此，中科院理化所江雷院士團(tuán)隊和北化所的田野副研究員以及以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的I. Willner教授合作首次開發(fā)了基于智能DNA水凝膠刺激響應(yīng)的離子通道9，如圖9。DNA水凝膠是一種具有空間負(fù)電荷的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與納米通道中存在的其他響應(yīng)分子不同，其離子通量和整流比均有顯著提高。通過K+離子和冠醚的循環(huán)處理，DNA水凝膠狀態(tài)可以在剛性較差的網(wǎng)絡(luò)和剛性較差的網(wǎng)絡(luò)之間可逆切換，從而提供了納米通道的門控機(jī)制。基于DNA水凝膠的結(jié)構(gòu)和pH刺激，可以精確控制陽離子或陰離子的轉(zhuǎn)運方向，實現(xiàn)多個門控特性。同時，水凝膠中的G-quadruplex DNA（G-quadruplex 四聯(lián)體，是一種由富含鳥嘌呤的核酸序列所構(gòu)成的四股型態(tài)）可能被其他刺激反應(yīng)性DNA分子、肽或蛋白質(zhì)所取代，這為智能水凝膠提高納米通道的功能開辟了一條新的途徑。研究團(tuán)隊將相關(guān)研究成果以“Smart DNA Hydrogels Integrated Nanochannels with High Ion Flux and Adjustable Selective Ionic Transport”為題發(fā)表在國際頂級期刊Angewandte Chemie-International Edition上。

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