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 生物體有著不同于人工合成材料的形成模式：它們可以生長但是人工合成材料不可以。簡單來說，生長可以被認為是由一系列不同的進程所組成的，包括攝入食物，吸收食物中的營養(yǎng)，營養(yǎng)的傳輸以及將營養(yǎng)轉(zhuǎn)化/融合成身體的一部分。然而，如何通過合理的設(shè)計來更好的模擬生長這種行為，以此來研究其在生物工程方面的應(yīng)用是一個難題。

近日，德國萊布尼茨新材料研究所/電子科技大學(xué)崔家喜教授團隊與上海科技大學(xué)的鄭宜君教授通過使用光調(diào)控的分子轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)了材料的定向生長。該成果以 Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 為題發(fā)表在國際頂刊Nature Communications （IF:11.878）上，文章第一作者為博士生薛璐璐，崔家喜教授和鄭宜君教授為論文共同通訊作者。

在這個工作中，他們將“生長”這個機制運用到單個聚合物體系中，實現(xiàn)了對可聚合分子的吸收，分子的遷移以及新生成的聚合物與原始聚合物之間的交換與融合。當設(shè)計可生長材料的時候，他們發(fā)現(xiàn)可以通過簡單的溶脹來實現(xiàn)對可聚合分子的吸收，且這些分子可以通過聚合的方式與基材進行融合。然而，如何在三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中對分子進行有效地遷移是困難且復(fù)雜的。因此，在三維聚合物網(wǎng)絡(luò)的特定位置上進行生長是較難控制的。他們發(fā)現(xiàn)，在凝膠基質(zhì)中，可電離的離子對的形成能夠顯著增強聚合物網(wǎng)絡(luò)的溶脹能力。基于此，他們通過控制可電離的離子對的原位形成來調(diào)控分子在三維網(wǎng)絡(luò)中的遷移。他們將在紫外光下可光解的硝基苯分子（o-nitrobenzyl ester）引入到聚（4-羥基丁基丙烯酸酯）（poly(4-hydroxylbutyl acrylate)）彈性體網(wǎng)絡(luò)中，通過光照劑量來使微結(jié)構(gòu)生長在溶脹的基材表面（圖 1）。在他們的設(shè)計中，三種不同的反應(yīng)---光降解，光聚合和酯交換匯集在一個體系中，分別起到了引導(dǎo)液體組分（營養(yǎng)液）在三維網(wǎng)絡(luò)中的遷移，將液體組分轉(zhuǎn)化為聚合物以及重構(gòu)新生成的聚合物和原始聚合物的作用。基于這些反應(yīng)，在不需要任何預(yù)先處理下，微結(jié)構(gòu)可以直接從基材的表面生長起來，就像小草破土而出那樣。

圖 1. 在基材表面通過光來調(diào)控生長的示意圖。 (a)可生長的“種子”的組成部分。 (b)溶脹的“種子”。用于溶脹的培養(yǎng)液包括單體，交聯(lián)劑，光引發(fā)劑和酯交換催化劑。(c) 選擇性紫外光在溶脹基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以產(chǎn)生可電離的離子對，該離子對可以誘導(dǎo)液體組分向被照射區(qū)域的遷移。(d) 光聚合產(chǎn)生新的聚合物。 (e) 通過酯交換，新產(chǎn)生的聚合物網(wǎng)絡(luò)可以和原先的聚合物網(wǎng)絡(luò)融合在一起。

這一設(shè)想被一系列的實驗作證實。當?shù)玫胶趸胶?-羥基丁基丙烯酸酯的彈性體后，他們將其在培養(yǎng)液（包括單體，交聯(lián)劑，光引發(fā)劑和酯交換催化劑）中溶脹，并且使用紫外光源使硝基苯的物質(zhì)降解，驅(qū)動單體和交聯(lián)劑的聚合，以及原始聚合物網(wǎng)絡(luò)和新生成聚合物網(wǎng)絡(luò)間的酯交換。由于這些反應(yīng)的發(fā)生，不同的表面結(jié)構(gòu)從溶脹的彈性體表面生長起來（圖2）。通過改變不同的參數(shù)，這些生長出來的結(jié)構(gòu)擁有著可調(diào)的尺寸，組成和機械性能。這些靈活的可調(diào)節(jié)特性不僅可以在材料表面制備微結(jié)構(gòu)，還可以用于大面積的材料損傷自修復(fù)。

圖 2. 光照條件下微結(jié)構(gòu)在基材表面生長（側(cè)視圖）的時間依賴性。光照強度：10 mW·cm-2。 光掩模尺寸：500 µm。比例尺：250 µm。

該工作得到了萊布尼茨研究經(jīng)費，上海科技大學(xué)啟動經(jīng)費和中國國家留學(xué)基金委的支持。

作者簡介

崔家喜教授，主要研究方向包括動態(tài)軟材料、響應(yīng)性高分子、仿生材料、高性能水凝膠、生物材料等領(lǐng)域。在 Nature Materials, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials 等國際著名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 70 多篇，作為主要發(fā)明人獲得美國專利授權(quán) 2 項，H 指數(shù) 26。編寫英文專著（章節(jié)）2 部。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x