科研进展
海洋实验室在结构编辑荧光水凝胶驱动器用于环境交互信息加密方面取得进展
日期：2023-03-22
自然界中的许多生物进化出了能够编辑自身结构的卓越能力，以便在其生命周期内更有效地适应动态环境。例如海洋中的章鱼在出生后，手臂上会生长许多发光的吸盘，用来传递不同的生物信息，如惊吓捕食者或作为生物发光诱饵在黑暗的海洋中吸引猎物。长期以来，科学家尝试通过设计智能人工材料（尤其是类生物组织的软、湿高分子水凝胶驱动器）来复制这种自然结构编辑能力。这将极大丰富水凝胶驱动器的环境交互功能。然而在人工水凝胶体系中实现像真实生物一样在不同生长发育阶段具有不同的生物结构并展现不同的功能还是相当具有挑战性的。
近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员与路伟研究员一直致力于荧光高分子水凝胶的仿生构建及其在信息存储与加密、伪装与人机交互等方面的应用研究。近日，该团队与宁波大学王文钦副教授合作，在Angew. Chem. Int. Ed.（题为“Bio-inspired Structure-editing Fluorescent Hydrogel Actuators for Environment-interactive Information Encryption”，2023，DOI: 10.1002/anie.202300417）上报道了一种用于环境交互信息加密的结构编辑荧光水凝胶驱动器（图1）。研究人员以热引发剂和光引发剂作为生长因子的类似物从基础水凝胶中扩散出来引发聚合生长出新的结构（图2），建立了一种通用的仿生由内向外生长策略，并构建了类生物结构编辑能力的荧光水凝胶驱动器。同时，通过编辑不同驱动单元的生长排列位置可以实现响应性的3D折纸类形状变化，这种可编辑性使得通过预先设计的生长排列来预测形状变化成为可能（图3）。通过在结构编辑水凝胶上以碳点为墨水书写特定的信息，利用不同环境钥匙（如温度、pH等）得到的差异化驱动状态，可用于可视化信息的传递（图4）。
该研究利用仿生逐步由内向外生长技术赋予了已加工完成的水凝胶结构编辑特性，首次展示了一种利用可编程的多种驱动状态来传达不同信息的环境交互信息显示系统，有望在很大程度上丰富水凝胶驱动器的环境交互功能，为下一代智能驱动系统的发展铺平道路。
以上工作得到了国家自然科学基金（52073297）、中德合作国际交流项目（M-0424）、中国科学院青年创新促进会（2019297）和王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的资助。
图1 用于环境交互信息加密的结构编辑荧光水凝胶示意图
图2 新水凝胶结构的可控编辑生长
图3 对初始水凝胶结构编辑以产生可编程的折纸类3D形状变形的水凝胶驱动器
图4 用于环境交互信息加密的结构编辑水凝胶驱动器
（海洋实验室）
