深圳先进院等发展出天然高分子水凝胶材料三维形态可控编辑新策略

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控中心杜学敏研究员团队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：通过交联梯度与尺寸效应协同调控壳聚糖水凝胶三维形变，并揭示其可控三维形变力学机制。相关论文以《单组分天然多糖水凝胶形态编辑》（Editing the Shape Morphing of Mono-component Natural Polysaccharide Hydrogel Films）为题在Science合作期刊Research（Research, 2021, 2021, 9786128. DOI: 10.34133/2021/9786128）上在线发表，客座学生胡豪和深圳先进院黄超博士为本文的共同作者，深圳先进院喻学锋研究员和Massimiliano Galluzzi副研究员、浙江大学肖锐研究员为论文的共同作者，杜学敏研究员和湘潭大学叶强博士是该论文共同通讯作者。 　  

　　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。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医用领域面临的关键挑战。 

　　为此，杜学敏研究团队基于前期仿生含羞草可控三维形变工作基础（Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Research, 2019, 2019, 6398296; Adv. Funct. Mater., 2020, 1909202; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120），及这类形变材料在生物医学领域应用的迫切需求（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），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，实现壳聚糖水凝胶薄膜三维形态可控编辑（视频1）。 

　　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；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。研究人员进一步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1）。 

　　该研究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，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。该研究工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0701303）、国家自然科学基金（52022102）、中国科学院青年创新促进会（2019353）、深圳市（JCYJ20180507182051636，KQJSCX20180330170232019）等科技项目资助。 

论文链接 

视频1：壳聚糖水凝胶薄膜可控三维形变 

图1：（a）壳聚糖是从虾蟹等甲壳中提取的天然多糖（图片来源于网络）（b）壳聚糖（CS）水凝胶自上而下交联梯度设计示意图；（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。