自然界中的生命系統不僅能自發實現各種復雜的生物功能，還能對外界環境的變化和刺激及時做出響應和適應性調整。借助于復雜的化學反應網絡（CRN），生命體系可通過消耗自身或者外界能量，實現平衡態和多個非平衡態的轉變，進而實現各種復雜的功能。另外，CRN中復雜的反饋調節機制，也使得精準控制生命體自演化和響應性的時空行為成為可能。受此啟發，科學家利用合成化學和材料科學基本理論，開發一系列具有類似“活性”的瞬態材料，如燃料驅動超分子組裝體和大分子瞬態水凝膠等。然而，相比于生命體中復雜的反應網絡，這些合成體系仍比較簡單，難以實現更高階的復雜非線性功能。因此，開發類似生命體的“活性”材料并賦予其高階的自演化和自適應功能仍是科學領域的重大挑戰。
圖 1 可編程“活性”水凝膠中化學反應網絡示意圖。4-PEG-SH和秋蘭姆二硫化物可先后通過硫醇氧化（k1）、二硫化物復分解（k2）和亞硫酸酯水解偶聯（k3）等三步基元反應實現自演化和燃料耗散的復雜行為。 針對這一難題，近期，上？萍即髮W鄭宜君團隊將非線性級聯反應引入到瞬態水凝膠中，通過預測、編程CRN中各基元反應中反應物的動力學變化，成功構建出具有復雜自演變行為的“活性”瞬態水凝膠體系。他們以4-arm-PEG-SH和秋蘭姆二硫化物為原料，通過硫醇氧化（k1）、二硫化物復分解（k2）和亞硫酸酯水解偶聯（k3）等三步基元反應的動力學調控，成功構建具有“活性”的可編程瞬態水凝膠體系（圖1）。他們發現，在中間產物二乙基二硫代氨基甲酸二乙銨（DDDC）的自催化下，合適的動力學常數（k1>k2>k3）使凝膠材料可自主實現溶膠（I）→軟膠→溶膠（II）→硬膠的連續四態轉變，各瞬態行為的壽命可以達到分鐘、小時甚至數天（圖2）。此外，額外的秋蘭姆二硫化物亦可作為燃料，驅動復分解和水解偶聯反應，進而實現能量驅動的硬凝膠→溶膠（II）→硬凝膠循環轉變。即使通過燃料驅動3次循環，模量也不會出現明顯損失。系統的動力學模擬進一步表明這種“活性”材料的瞬態轉變行為及壽命周期可以通過調整秋蘭姆二硫化物濃度，體系pH值和秋蘭姆結構進行精準編程（圖3）。基于這些特點，作者還探索了這種智能材料在防偽和形狀可塑性轉換方面的應用（圖4）。相比于基于簡單化學反應的傳統瞬態體系，這種“活性”材料具有高階的非線性反應網絡和自催化的特點，未來有望指導設計新一代的多功能智能材料，也為構建仿生命體的合成材料開辟新的方向。該工作以“Programming Hydrogels with Complex Transient Behaviors via Autocatalytic Cascade Reactions”為題發表在TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022)。 上海科技大學碩士生張靜宜為論文第一作者。該工作得到了上海浦江計劃（20PJ1411200），國家自然科學基金(52073175)與上海科技大學啟動資金的支持。
圖 2 （a）“活性”水凝膠狀態轉變行為和流變曲線（b）。(c) 通過向穩定水凝膠中加入TDS（20 mM溶在MeCN）并重復三次硬凝膠→溶液(II)→硬凝膠循環。(d)不同循環中水凝膠的穩定模量（G0）和瞬態水凝膠（II）的壽命。
圖 3 通過編程級聯反應中交聯二硫鍵濃度的變化調控“智能”水凝膠的瞬態轉變行為和壽命。這些水凝膠的瞬態自主轉變現象與級聯反應中交聯二硫鍵的濃度變化規律高度匹配，表明所設計凝膠體系的可預測和可編程性。
圖 4 （a） 圖案化防偽實驗：先將4-PEG-SH和TDS注入圖案化凹槽“SHTU”中。在TDS高效氧化下，4-PEG-SH交聯形成水凝膠，然后將成型的膠狀“SHTU”轉移至部分超疏水處理的鋁材表面(留有“nature”圖案未做超疏水處理)，隨著時間的流逝，SHTU的水凝膠自主變為溶膠狀態，由于超疏水和重力作用溶液以小液滴的形式自動滾落。同時，潤濕親水區，最終呈現出加密信息“nature”。（b-k）形狀可塑性轉換：先把混合溶液注入到立方模具中，構建立方型的水凝膠。新形成的水凝膠具有彈性，由于交聯結構，在壓縮下變形后可以恢復為原始形狀。在可變形的時間窗口內，即處在軟凝膠的狀態下，通過在半球形容器中擠壓重塑水凝膠，這是因為在這種情況下二硫鍵解離后又重新形成。然后重新形成的樣品在可變形的時間窗外也是彈性的，不能重塑。因此，可以通過定制新的參數方式（即編程時間）來實現自主水凝膠所展現的形狀可編程特性。
這項工作是該團隊近期關于動態生物材料合成與功能化應用相關研究的最新進展。相比于傳統的穩定水凝膠材料，開發具有類似生命體細胞外基質功能的先進動態生物材料，有助于更精確的了解細胞與其環境的動態相互作用，這對進一步操縱細胞功能具有重要意義。為此，該團隊致力于開發一系列具有復雜行為的可編程瞬態水凝膠，特別強調使用多種化學反應（eg. 光）實現材料物理化學和生物性能的多維調節(Nat. Commun.2020, 11, 963；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 59, 5611）。另外，為實現對細胞功能操控的目的，該課題組還開發了刺激響應性的分子施力工具，通過光控聚合物鏈的坍縮實現分子水平上力的施加和檢測（Nat. Commun. 2021, 12, 3580）。課題組長期招收招收碩士生、博士生和博士后，歡迎廣大青年才俊的加入。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c03177
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