甯波材料所在多色熒光高分子水凝膠構築仿生皮膚方面取得新進展

文章來源:甯波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2021-11-22  |  【打印】 【關閉

  

  在自然界中,許多生物體根據生存需要逐漸進化出獨特的環境適應行爲,例如變色龍、樹蛙、章魚等變色生物可以根據環境需要來自適應改變皮膚顔色和圖案,以達到交流、僞裝等目的。受此啓發,科研工作者們希望通過設計智能人工材料(特別是類生物組織的軟、濕態高分子水凝膠材料)來複制生物體的環境刺激響應變色行爲。這種仿生智能變色水凝膠新材料的發展不僅有利于理解自然界的生物變色現象,還有望在傳感檢測、柔性顯示、變色僞裝皮膚、軟體機器人等領域發揮重大應用價值。

  與源于對外界光的吸收、反射或散射而産生的色素色或結構色不同,熒光色是一種發光色,色飽和度高,特別適用于夜晚、森林、海洋、河流等照明不足的環境,因此被認爲是色素色和結構色的良好補充。然而,與能夠在不同外界刺激環境中呈現豐富多彩皮膚顔色變化的變色龍等生物相比,科研團隊制備的多色熒光高分子水凝膠在外界刺激下的發光顔色變化範圍仍較窄,尤其是仍難以利用單一水凝膠實現多重刺激響應的寬範圍熒光顔色變化。

  针对这一难题,中國科學院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队基于前期大量基础研究,提出了精确控制不同荧光团空间分布结构以实现高分子水凝胶荧光颜色有效调控的新策略。最近,研究人员和中科院过程工程研究所周蕾研究员团队合作,发展高分子水凝胶的分子结构设计,将聚集诱导发光的取代萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团分别引入同一水凝胶体系的不同高分子交联网络中(图1)。得益于这一创新材料结构设计,萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团的发光强度可以分别利用不同外界刺激进行独立且连续的调控,从而实现多重刺激(温度、pH、溶剂、离子、光等)响应的红、绿、黄、蓝、紫多色荧光变化。这一研究工作显著拓宽了高分子水凝胶的荧光变色范围,有望应用于智能变色伪装皮肤、仿生智能软体机器人等重要领域。

  该工作近期以“Supramolecular Hydrogel with Orthogonally Responsive R/G/B Fluorophores Enables Multi-color Switchable Biomimetic Soft Skins”为题发表在Adv. Funct. Mater. 2021, 2108830(https://doi.org/10.1002/adfm.202108830)上。本研究得到了国家自然科学基金(21774138、52073297、51773215)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、国家重点研发计划(2019YFC1606603)、中科院青年创新促进会(2019297)和王宽诚教育基金(GJTD-2019-13)等项目的支持。

高分子水凝膠的結構設計示意圖和多重刺激響應熒光變色圖