《AM》最新綜述：可編程機(jī)械活性水凝膠基材料
【背景】
可編程機(jī)械活性材料 (MAM)可感知外部刺激并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械輸出，或者反過來可以檢測機(jī)械刺激并通過材料外觀的光學(xué)變化或其他變化做出響應(yīng)的材料。可編程 MAM 是響應(yīng)材料的一個子集，為下一代機(jī)器人和智能系統(tǒng)提供了潛力。美國埃默里大學(xué) Khalid Salaita教授團(tuán)隊討論了水凝膠 MAM 的組成以及用于對這些材料進(jìn)行編程的自上而下和自下而上的方法。
接著討論 MAMS 中工程響應(yīng)性的基本原理，包括光、熱、磁、電、化學(xué)和機(jī)械刺激。比較了不同響應(yīng)度的一些優(yōu)缺點。最后，總結(jié)了最近發(fā)表的文獻(xiàn)中基于水凝膠的 MAM 的新興應(yīng)用，以及 MAM 研究的未來前景。文章Programmable Mechanically Active Hydrogel-Based Materials發(fā)表在期刊《Advanced Materials》上。在這篇綜述中，該團(tuán)隊首先描述了基于水凝膠的 MAM 的化學(xué)成分及其制造，然后是實現(xiàn)可編程性的具體方法。然后，提供了響應(yīng)機(jī)制的詳細(xì)分類，并討論了材料結(jié)構(gòu)與其響應(yīng)行為之間的密切關(guān)系。最后，作者總結(jié)了 MAM 在多個學(xué)科中的當(dāng)前應(yīng)用，以及機(jī)械響應(yīng)水凝膠的未來方向和應(yīng)用。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1，機(jī)械活性材料 (MAM) 的常見成分。多種類型的水凝膠聚合物可以構(gòu)成可編程 MAM，包括天然衍生的聚合物，如藻酸鹽多糖、肽和 DNA（左），合成聚合物，如 N-異丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 或聚乙二醇 (PEG)（右），或不同聚合物類型的組合（中）。
圖2，基于水凝膠的 MAM 響應(yīng)示意圖。MAM 中的機(jī)械驅(qū)動可以由各種刺激觸發(fā)，具體取決于材料設(shè)計。不同的 MAM 對加熱、磁場或電場、光、水合狀態(tài)、氧化態(tài)、溶液中的特定分子、pH 值、離子強(qiáng)度甚至外在機(jī)械力做出響應(yīng)。
圖3，pH 響應(yīng) MAM。a)聚合物微結(jié)構(gòu)的芯片。芯片上的微柱水凝膠檢測pH 變化。b) 基于 DNA 水凝膠的 MAM，具有響應(yīng)不同 pH 條件的形狀記憶功能。降低的 pH 值會導(dǎo)致 DNA 堿基配對的重組，導(dǎo)致凝膠變形。c) 這種反應(yīng)是高度可逆和可重復(fù)的。
圖4，磁場響應(yīng) MAM。a) 嵌入隨機(jī)分布的 MNP 的聚丙烯酰胺水凝膠 MAM。這種材料響應(yīng)性非常強(qiáng)，即使在低 MNP 含量下，也會在施加的磁場方向上彎曲。b) Fe3O4/pNIPAM 復(fù)合材料（黑點），可在施加交變磁場時打開/關(guān)閉微流體通道。該場加熱氧化鐵顆粒，導(dǎo)致打開通道的 pNIPAM 聚合物消溶脹。c）（左）磁響應(yīng) MAM 也可以用預(yù)先組織的 MNP 制造。這會引起對所施加磁場方向的敏感性（右），從而形成高度靈敏且可控的軟機(jī)器人。
圖5，光響應(yīng)性 MAM 指導(dǎo)細(xì)胞行為。a) 光機(jī)械致動器（OMA）為Au-pNIPMAM 復(fù)合納米粒子，暴露于 NIR 光時會收縮。b) 當(dāng)暴露于 NIR 光時，OMA 的熒光標(biāo)記提供了粒子崩潰的證據(jù)。c) MAM促進(jìn)細(xì)胞附著，以高空間精度施加力來研究力學(xué)在各種細(xì)胞類型的細(xì)胞活動中的作用。d) 5 天內(nèi)重復(fù)刺激成肌細(xì)胞增強(qiáng)了成熟標(biāo)志物（左），例如肌球蛋白表達(dá)（紅色）和多核化（細(xì)胞核，藍(lán)色），以及細(xì)胞排列（肌動蛋白，綠色；直方圖，右）。e) 成纖維細(xì)胞通過向刺激方向延伸并增加肌動蛋白聚合來響應(yīng)短期機(jī)械刺激。f) T 細(xì)胞的機(jī)械刺激能夠顯著增強(qiáng)鈣信號，這是 T 細(xì)胞活化的重要標(biāo)志物。
【總結(jié)】
MAM 的未來如何？預(yù)測該領(lǐng)域在未來幾年的發(fā)展并不容易，因為 MAM 的新發(fā)展速度很快。該領(lǐng)域的一個重要領(lǐng)域是磨練用于創(chuàng)建 MAM 的制造技術(shù)。目前絕大多數(shù) MAM 采用薄膜、棒和其他簡單形狀的形式。雖然通過將這些基本形狀組裝在一起或創(chuàng)建合理設(shè)計的自組裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了復(fù)雜的架構(gòu)，但未來幾年改進(jìn)的 3D 打印機(jī)和光刻技術(shù)很可能允許制造令人興奮的新 MAM 幾何形狀。
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