高分子凝胶前沿研究进展（发展天然高分子水凝胶材料三维形态可控编辑新策略）

来源：微信公众号“Research科学研究”

近期，中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏团队与湘潭大学叶强博士等合作，在前期仿生含羞草可控三维形变材料工作基础上，发展了一种新型天然高分子水凝胶材料三维形态可控编辑策略，仅通过交联梯度与尺寸效应协同，成功实现单组分传统高分子水凝胶材料三维形态可控编辑。

相关研究以"Editing the Shape Morphing of Monocomponent Natural Polysaccharide Hydrogel Films"为题，发表在Research（Research, vol. 2021, Article ID 9786128）上。

研究背景

近年来，可控三维形变高分子材料在生物电子、医用机器人、组织工程与人工器官等医学领域应用广泛，但具有良好生物相容特性的传统材料要么欠缺形变能力，要么实现可控形变的方法极其复杂，极大限制这类生物材料的实际应用。

因此，如何通过简单易行且具普适性的策略实现传统生物材料的可控三维形变，仍是这类材料在生物医学领域应用面临的关键挑战。

研究进展

基于此，杜学敏研究团队及合作者基于前期仿生含羞草可控三维形变材料工作基础，及这类形变材料在生物医学领域应用的迫切需求，创新性地提出仅通过尺寸效应与自上而下的交联梯度结合，发展了一种天然高分子水凝胶材料三维形态可控编辑新策略，实现壳聚糖水凝胶薄膜三维形态可控编辑（图1）。

图1 壳聚糖水凝胶薄膜可控三维形变

值得指出的是，壳聚糖是从虾蟹等甲壳中提取的天然碱性多糖，其自然界中产量仅次于纤维素（图2a）。

由于壳聚糖具有良好生物相容性、无细胞毒性、生物可降解性、抗菌性以及优异的蛋白亲和性，使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。

为了实现壳聚糖水凝胶三维形态可控编辑，首先，研究人员利用交联剂自上而下渗透扩散带来的交联梯度，实现壳聚糖水凝胶薄膜的上下表面溶胀度差异（图2b）；在此基础上，研究人员通过调节水凝胶薄膜尺寸（长、宽、厚），即可实现壳聚糖水凝胶薄膜从二维平面形态转变为螺旋、短管、长管等三维卷曲形态，并通过受力分析揭示其形变过程中的力学机制（图2c）。

进一步，研究人员将不同尺寸的凝胶薄膜设计到一起，即可实现一系列类似风车、花朵等复杂三维形态，且还可通过pH刺激调控其三维形态（图2d）。

该策略既无需复杂设备进行结构设计，又无需多组分材料复合，仅通过交联梯度与尺寸效应协同，即可实现单组分传统高分子水凝胶材料三维形态可控编辑，且该简单易行的形态编辑策略还可普适拓展到如海藻酸钠等高分子材料中。

图2. （a）壳聚糖是从虾蟹等甲壳中提取的天然多糖；（b）壳聚糖（CS）水凝胶自上而下交联梯度设计示意；（c）壳聚糖水凝胶薄膜三维形态可控编辑相图；（d）壳聚糖水凝胶复杂三维形态可控编辑

未来展望

该研究提出的仅通过交联梯度与尺寸效应协同，即实现单组分传统高分子材料三维形态可控编辑普适策略，不仅为实现其他高分子材料三维形态编辑提供新思路，而且还可以拓展这类形变材料在生物电子、医用机器人、组织工程与人工器官等生物医学领域广泛应用。

作者简介

• 杜学敏

中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，入选中国科学院青年创新促进会会员、广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才。

主要从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、组织工程、柔性电子、柔性传感与驱动器等。

近年来，以负责人身份主持国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”课题、国自然科学基金等项目多项，相关成果以第一及通讯作者（含共同）代表性论文发表于Matter、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、National Science Review等期刊，已获授权专利20多项。

• 叶强

博士，硕士毕业于中国科技大学，2016年在上海交通大学获博士学位后加入湘潭大学任教至今。

2019—2020年期间在美国肯特州立大学先进材料与液晶所做博士后。

研究方向为智能响应材料构建及手性调控，相关工作近年来在Chemical Science、ACS、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上发表研究论文15篇，申请国家发明专利7项。