《AM》最新综述：可编程机械活性水凝胶基材料

【背景】

可编程机械活性材料 (MAM)可感知外部刺激并将其转换为机械输出，或者反过来可以检测机械刺激并通过材料外观的光学变化或其他变化做出响应的材料。可编程 MAM 是响应材料的一个子集，为下一代机器人和智能系统提供了潜力。美国埃默里大学Khalid Salaita教授团队讨论了水凝胶 MAM 的组成以及用于对这些材料进行编程的自上而下和自下而上的方法。

接着讨论 MAMS 中工程响应性的基本原理，包括光、热、磁、电、化学和机械刺激。比较了不同响应度的一些优缺点。最后，总结了最近发表的文献中基于水凝胶的 MAM 的新兴应用，以及 MAM 研究的未来前景。文章“Programmable Mechanically Active Hydrogel-Based Materials”发表在期刊《Advanced Materials》上。在这篇综述中，该团队首先描述了基于水凝胶的 MAM 的化学成分及其制造，然后是实现可编程性的具体方法。然后，提供了响应机制的详细分类，并讨论了材料结构与其响应行为之间的密切关系。最后，作者总结了 MAM 在多个学科中的当前应用，以及机械响应水凝胶的未来方向和应用。

【主图导读】

图1，机械活性材料 (MAM) 的常见成分。多种类型的水凝胶聚合物可以构成可编程 MAM，包括天然衍生的聚合物，如藻酸盐多糖、肽和 DNA（左），合成聚合物，如 N-异丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 或聚乙二醇 (PEG)（右），或不同聚合物类型的组合（中）。

图3，基于水凝胶的 MAM 响应示意图。MAM 中的机械驱动可以由各种刺激触发，具体取决于材料设计。不同的 MAM 对加热、磁场或电场、光、水合状态、氧化态、溶液中的特定分子、pH 值、离子强度甚至外在机械力做出响应。

图5，pH 响应 MAM。a)聚合物微结构的芯片。芯片上的微柱水凝胶检测pH 变化。b) 基于 DNA 水凝胶的 MAM，具有响应不同 pH 条件的形状记忆功能。降低的 pH 值会导致 DNA 碱基配对的重组，导致凝胶变形。c) 这种反应是高度可逆和可重复的。

图8，磁场响应 MAM。a) 嵌入随机分布的 MNP 的聚丙烯酰胺水凝胶 MAM。这种材料响应性非常强，即使在低 MNP 含量下，也会在施加的磁场方向上弯曲。b) Fe3O4/pNIPAM 复合材料（黑点），可在施加交变磁场时打开/关闭微流体通道。该场加热氧化铁颗粒，导致打开通道的 pNIPAM 聚合物消溶胀。c）（左）磁响应 MAM 也可以用预先组织的 MNP 制造。这会引起对所施加磁场方向的敏感性（右），从而形成高度灵敏且可控的软机器人。

图12，光响应性 MAM 指导细胞行为。a) 光机械致动器（OMA）为Au-pNIPMAM 复合纳米粒子，暴露于 NIR 光时会收缩。b) 当暴露于 NIR 光时，OMA 的荧光标记提供了粒子崩溃的证据。c) MAM促进细胞附着，以高空间精度施加力来研究力学在各种细胞类型的细胞活动中的作用。d) 5 天内重复刺激成肌细胞增强了成熟标志物（左），例如肌球蛋白表达（红色）和多核化（细胞核，蓝色），以及细胞排列（肌动蛋白，绿色；直方图，右）。e) 成纤维细胞通过向刺激方向延伸并增加肌动蛋白聚合来响应短期机械刺激。f) T 细胞的机械刺激能够显着增强钙信号，这是 T 细胞活化的重要标志物。

【总结】

MAM 的未来如何？预测该领域在未来几年的发展并不容易，因为 MAM 的新发展速度很快。该领域的一个重要领域是磨练用于创建 MAM 的制造技术。目前绝大多数 MAM 采用薄膜、棒和其他简单形状的形式。虽然通过将这些基本形状组装在一起或创建合理设计的自组装结构已经实现了复杂的架构，但未来几年改进的 3D 打印机和光刻技术很可能允许制造令人兴奋的新 MAM 几何形状。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202006600

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