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中科大馬明明教授課題組 ACS AMI：通過(guò)構(gòu)建能量傳遞網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可編程的多重響應(yīng)聚合物驅(qū)動(dòng)器
2022-03-12  來(lái)源：高分子科技

  外界刺激作用到細(xì)胞受體上會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、放大和調(diào)節(jié)。信號(hào)通路由多種生物功能分子通過(guò)相互調(diào)控作用構(gòu)成。不同的信號(hào)通路經(jīng)常以同一種生物功能分子為節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞能夠感知多種外界刺激并做出的復(fù)雜而精巧的細(xì)胞應(yīng)答。如果把現(xiàn)有的功能聚合物作為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)合適的信號(hào)傳遞（能量傳遞）機(jī)制將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連成網(wǎng)絡(luò)，所得的聚合物復(fù)合材料就有可能模擬細(xì)胞中的信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)的功能，并進(jìn)一步制備出可編程的多重響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。


  近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系馬明明課題組將三種功能高分子（聚苯胺、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷）作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組裝，構(gòu)筑了一種簡(jiǎn)單的能量傳遞網(wǎng)絡(luò)（圖1）。所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和功能可以被三種因子（pH，聚乙二醇，kosmotropic離子）調(diào)節(jié)，進(jìn)而可以對(duì)六種外界刺激（光、電、溫度、濕度、離子強(qiáng)度、有機(jī)溶劑）做出可調(diào)控的快速響應(yīng)（圖2）和模態(tài)變化（圖3）。以此復(fù)合材料制備出的柔性驅(qū)動(dòng)器可輸出接近肌肉的機(jī)械力（0.32 MPa）（圖2），并且可以對(duì)多種外界同時(shí)刺激或序列刺激產(chǎn)生可編程的響應(yīng)，可用作可編程的開(kāi)關(guān)和具有自適應(yīng)性的柔性抓手（圖4）。該工作以“Programmable Multistimuli-Responsive and Multimodal Polymer Actuator Based on a Designed Energy Transduction Network”為題在線(xiàn)發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, acsami.2c01549）。中科大博士生晏秀男和博士后陳青是文章的共同第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。



圖1. 以功能聚合物作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)筑能量傳遞網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理圖。

 

 

圖2. 復(fù)合材料在光、電刺激下做出快速且強(qiáng)有力的響應(yīng)。

 

 

圖3. 復(fù)合材料在濕度、溫度、離子強(qiáng)度等刺激下發(fā)生可逆的模態(tài)變化。

 

 

圖4. 復(fù)合材料對(duì)多種同時(shí)刺激或序列刺激產(chǎn)生可編程的響應(yīng)，可用作可編程的開(kāi)關(guān)和具有自適應(yīng)性的柔性抓手。


  該工作是馬明明課題組近期關(guān)于功能高分子組裝體相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。模仿生物大分子的合成和組裝方法，通過(guò)功能基元的結(jié)構(gòu)匹配實(shí)現(xiàn)有序組裝，是設(shè)計(jì)制備多功能集成的軟材料、并邁向智能軟材料的有效策略。為此，課題組發(fā)展了可控合成和組裝功能基元的多種方法，實(shí)現(xiàn)了多種光、電功能軟材料的功能拓展和集成，并向智能化邁進(jìn)。近期的代表性成果包括：利用復(fù)合材料的微觀內(nèi)應(yīng)力調(diào)控柔性驅(qū)動(dòng)器的宏觀響應(yīng)模式，實(shí)現(xiàn)濕度驅(qū)動(dòng)的連續(xù)螺旋運(yùn)動(dòng)(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 20473); 通過(guò)“剛?cè)岵?jì)”的分子組裝策略制備兼具高強(qiáng)度和高韌性的柔性導(dǎo)電聚合物材料（Chem. Eng. J., 2021, 405, 126915; Chem. Eng. J., 2019, 368, 933；Nat. Commun., 2018, 9, 3579）; 通過(guò)有機(jī)和無(wú)機(jī)納米基元的有序組裝和結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)SERS熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108556; Nano Research, 2021, 14, 275）；通過(guò)超分子組裝實(shí)現(xiàn)高效級(jí)聯(lián)的能量傳遞，從而實(shí)現(xiàn)多色長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)發(fā)光（ACS Nano, 2020, 14, 3, 3696；Nat. Commun., 2017, 8, 1003）。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c01549

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