理化所飛秒雷射直寫雙刺激協同響應的水凝膠微緻動器研究取得新進展
在自然界中生物能夠對外界刺激做出反應并産生特定的形狀變化，這種響應行為對生物體的生存和繁衍至關重要。在衆多材料中，水凝膠因其模量适中，刺激響應條件多樣以及生物相容性好等因素而引起了極大的關注。随着仿生學以及材料科學的發展，能夠感覺和響應外部刺激的智能水凝膠緻動器在軟體機器人、傳感和遠端操控等領域顯示出良好的應用前景。目前，微加工技術已經将響應型水凝膠緻動器的尺寸縮小到微米級。然而，如何在微尺度下建構能夠對複雜的微環境進行多重響應的水凝膠微緻動器仍然是一個挑戰。
中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊近日在雙刺激協同響應的水凝膠微緻動器的研究工作中取得了新進展。該團隊通過非對稱飛秒雷射直寫加工制備了一種雙刺激協同響應的水凝膠微緻動器。該水凝膠微結構對pH/溫度的雙重協同響應是通過添加功能單體2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯實作的。通過水凝膠微結構的拉曼光譜分析，解釋了不同pH和溫度下協同響應的産生機制，并且展示了由pH或溫度控制的聚苯乙烯微球的捕獲。該研究為設計和制造可控的微尺度緻動器提供了一種政策，并在微機器人和微流體中具有應用前景。研究成果發表于Small 2023, 2303166. (DOI: 10.1002/smll.202303166)，碩士研究所學生王健羽為論文第一作者，金峰副研究員、鄭美玲研究員為共同通訊作者。
飛秒雷射直寫加工技術由于具有超高的空間分辨率、三維加工能力和無需實體掩膜等特點，被廣泛用于制備各種三維微結構。作者通過含有功能單體的光刻膠，通過調整雷射功率、掃描速度和掃描政策實作了具有不對稱交聯密度的雙重響應水凝膠微結構的制備（圖1）。
圖1. 雙刺激協同響應型水凝膠微緻動器的制備與響應機制
進一步，作者制備了含有三個不對稱微臂的微緻動器來提高對不同環境的刺激響應能力。該微緻動器由三個交聯密度交替分布的微臂組成。為了更加友善地展示水凝膠微緻動器在不同溫度及pH條件下的可控性，還使用了直徑10微米的聚苯乙烯微球作為目标顆粒在不同條件下進行捕獲（圖2）。
圖2. 雙重刺激響應型水凝膠微緻動器的捕獲行為
最後，作者還描述了一種具有雙刺激協同響應特性的微緻動器。圖3詳細地展示了水凝膠微緻動器在不同pH與溫度協同刺激下的四種形狀變化。這種更為豐富的形狀變化是由溫度升高時的氫鍵斷裂與酸性條件下叔胺基的質子化同時作用産生的。該研究提出的雙重刺激協同響應特性相較于單一響應刺激賦予了微制動器更大的可操控性，這一特性使其在微操縱和微型軟體機器人方面具有潛在應用。
圖3. 水凝膠微緻動器的雙重刺激協同響應特性
該工作是研究團隊前期一系列仿生水凝膠工作的深入和拓展（Adv. Funct. Mater. 2023, 2300293; Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2200276; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27796-27805; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1782-1789; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 42247-42257; Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273-280; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491; Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039; J. Mater. Chem. B 2014, 2, 4318-4323）。相關研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金、中國科學院國際夥伴計劃等項目的大力支援。
來源：理化所
原文連結：網頁連結
