來源：微信公衆号“Research科學研究”

近期，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏團隊與湘潭大學葉強博士等合作，在前期仿生含羞草可控三維形變材料工作基礎上，發展了一種新型天然高分子水凝膠材料三維形态可控編輯策略，僅通過交聯梯度與尺寸效應協同，成功實現單組分傳統高分子水凝膠材料三維形态可控編輯。

相關研究以"Editing the Shape Morphing of Monocomponent Natural Polysaccharide Hydrogel Films"為題，發表在Research（Research, vol. 2021, Article ID 9786128）上。

研究背景

近年來，可控三維形變高分子材料在生物電子、醫用機器人、組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但具有良好生物相容特性的傳統材料要麼欠缺形變能力，要麼實現可控形變的方法極其複雜，極大限制這類生物材料的實際應用。

因此，如何通過簡單易行且具普适性的策略實現傳統生物材料的可控三維形變，仍是這類材料在生物醫學領域應用面臨的關鍵挑戰。

研究進展

基于此，杜學敏研究團隊及合作者基于前期仿生含羞草可控三維形變材料工作基礎，及這類形變材料在生物醫學領域應用的迫切需求，創新性地提出僅通過尺寸效應與自上而下的交聯梯度結合，發展了一種天然高分子水凝膠材料三維形态可控編輯新策略，實現殼聚糖水凝膠薄膜三維形态可控編輯（圖1）。

圖1 殼聚糖水凝膠薄膜可控三維形變

值得指出的是，殼聚糖是從蝦蟹等甲殼中提取的天然堿性多糖，其自然界中産量僅次于纖維素（圖2a）。

由于殼聚糖具有良好生物相容性、無細胞毒性、生物可降解性、抗菌性以及優異的蛋白親和性，使其在生物醫學領域具有廣闊的應用前景。

為了實現殼聚糖水凝膠三維形态可控編輯，首先，研究人員利用交聯劑自上而下滲透擴散帶來的交聯梯度，實現殼聚糖水凝膠薄膜的上下表面溶脹度差異（圖2b）；在此基礎上，研究人員通過調節水凝膠薄膜尺寸（長、寬、厚），即可實現殼聚糖水凝膠薄膜從二維平面形态轉變為螺旋、短管、長管等三維卷曲形态，并通過受力分析揭示其形變過程中的力學機制（圖2c）。

進一步，研究人員将不同尺寸的凝膠薄膜設計到一起，即可實現一系列類似風車、花朵等複雜三維形态，且還可通過pH刺激調控其三維形态（圖2d）。

該策略既無需複雜設備進行結構設計，又無需多組分材料複合，僅通過交聯梯度與尺寸效應協同，即可實現單組分傳統高分子水凝膠材料三維形态可控編輯，且該簡單易行的形态編輯策略還可普适拓展到如海藻酸鈉等高分子材料中。

圖2. （a）殼聚糖是從蝦蟹等甲殼中提取的天然多糖；（b）殼聚糖（CS）水凝膠自上而下交聯梯度設計示意；（c）殼聚糖水凝膠薄膜三維形态可控編輯相圖；（d）殼聚糖水凝膠複雜三維形态可控編輯

未來展望

該研究提出的僅通過交聯梯度與尺寸效應協同，即實現單組分傳統高分子材料三維形态可控編輯普适策略，不僅為實現其他高分子材料三維形态編輯提供新思路，而且還可以拓展這類形變材料在生物電子、醫用機器人、組織工程與人工器官等生物醫學領域廣泛應用。

作者簡介

• 杜學敏

中國科學院深圳先進技術研究院研究員，博士生導師，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者，入選中國科學院青年創新促進會會員、廣東省“特支計劃”科技創新青年拔尖人才。

主要從事智能高分子材料及穿戴植入器件研究，包括：智能高分子材料、生物界面、組織工程、柔性電子、柔性傳感與驅動器等。

近年來，以負責人身份主持國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”課題、國自然科學基金等項目多項，相關成果以第一及通訊作者（含共同）代表性論文發表于Matter、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、National Science Review等期刊，已獲授權專利20多項。

• 葉強

博士，碩士畢業于中國科技大學，2016年在上海交通大學獲博士學位後加入湘潭大學任教至今。

2019—2020年期間在美國肯特州立大學先進材料與液晶所做博士後。

研究方向為智能響應材料構建及手性調控，相關工作近年來在Chemical Science、ACS、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上發表研究論文15篇，申請國家發明專利7項。

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