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【背景】

可編程機(jī)械活性材料 (MAM)可感知外部刺激并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械輸出，或者反過來可以檢測(cè)機(jī)械刺激并通過材料外觀的光學(xué)變化或其他變化做出響應(yīng)的材料。可編程 MAM 是響應(yīng)材料的一個(gè)子集，為下一代機(jī)器人和智能系統(tǒng)提供了潛力。美國埃默里大學(xué) Khalid Salaita教授團(tuán)隊(duì)討論了水凝膠 MAM 的組成以及用于對(duì)這些材料進(jìn)行編程的自上而下和自下而上的方法。

接著討論 MAMS 中工程響應(yīng)性的基本原理，包括光、熱、磁、電、化學(xué)和機(jī)械刺激。比較了不同響應(yīng)度的一些優(yōu)缺點(diǎn)。最后，總結(jié)了最近發(fā)表的文獻(xiàn)中基于水凝膠的 MAM 的新興應(yīng)用，以及 MAM 研究的未來前景。文章Programmable Mechanically Active Hydrogel-Based Materials發(fā)表在期刊《Advanced Materials》上。在這篇綜述中，該團(tuán)隊(duì)首先描述了基于水凝膠的 MAM 的化學(xué)成分及其制造，然后是實(shí)現(xiàn)可編程性的具體方法。然后，提供了響應(yīng)機(jī)制的詳細(xì)分類，并討論了材料結(jié)構(gòu)與其響應(yīng)行為之間的密切關(guān)系。最后，作者總結(jié)了 MAM 在多個(gè)學(xué)科中的當(dāng)前應(yīng)用，以及機(jī)械響應(yīng)水凝膠的未來方向和應(yīng)用。
【主圖導(dǎo)讀】

圖1，機(jī)械活性材料 (MAM) 的常見成分。多種類型的水凝膠聚合物可以構(gòu)成可編程 MAM，包括天然衍生的聚合物，如藻酸鹽多糖、肽和 DNA（左），合成聚合物，如 N-異丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 或聚乙二醇 (PEG)（右），或不同聚合物類型的組合（中）。

圖2，基于水凝膠的 MAM 響應(yīng)示意圖。MAM 中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)可以由各種刺激觸發(fā)，具體取決于材料設(shè)計(jì)。不同的 MAM 對(duì)加熱、磁場(chǎng)或電場(chǎng)、光、水合狀態(tài)、氧化態(tài)、溶液中的特定分子、pH 值、離子強(qiáng)度甚至外在機(jī)械力做出響應(yīng)。

圖3，pH 響應(yīng) MAM。a)聚合物微結(jié)構(gòu)的芯片。芯片上的微柱水凝膠檢測(cè)pH 變化。b) 基于 DNA 水凝膠的 MAM，具有響應(yīng)不同 pH 條件的形狀記憶功能。降低的 pH 值會(huì)導(dǎo)致 DNA 堿基配對(duì)的重組，導(dǎo)致凝膠變形。c) 這種反應(yīng)是高度可逆和可重復(fù)的。

圖4，磁場(chǎng)響應(yīng) MAM。a) 嵌入隨機(jī)分布的 MNP 的聚丙烯酰胺水凝膠 MAM。這種材料響應(yīng)性非常強(qiáng)，即使在低 MNP 含量下，也會(huì)在施加的磁場(chǎng)方向上彎曲。b) Fe3O4/pNIPAM 復(fù)合材料（黑點(diǎn)），可在施加交變磁場(chǎng)時(shí)打開/關(guān)閉微流體通道。該場(chǎng)加熱氧化鐵顆粒，導(dǎo)致打開通道的 pNIPAM 聚合物消溶脹。c）（左）磁響應(yīng) MAM 也可以用預(yù)先組織的 MNP 制造。這會(huì)引起對(duì)所施加磁場(chǎng)方向的敏感性（右），從而形成高度靈敏且可控的軟機(jī)器人。

圖5，光響應(yīng)性 MAM 指導(dǎo)細(xì)胞行為。a) 光機(jī)械致動(dòng)器（OMA）為Au-pNIPMAM 復(fù)合納米粒子，暴露于 NIR 光時(shí)會(huì)收縮。b) 當(dāng)暴露于 NIR 光時(shí)，OMA 的熒光標(biāo)記提供了粒子崩潰的證據(jù)。c) MAM促進(jìn)細(xì)胞附著，以高空間精度施加力來研究力學(xué)在各種細(xì)胞類型的細(xì)胞活動(dòng)中的作用。d) 5 天內(nèi)重復(fù)刺激成肌細(xì)胞增強(qiáng)了成熟標(biāo)志物（左），例如肌球蛋白表達(dá)（紅色）和多核化（細(xì)胞核，藍(lán)色），以及細(xì)胞排列（肌動(dòng)蛋白，綠色；直方圖，右）。e) 成纖維細(xì)胞通過向刺激方向延伸并增加肌動(dòng)蛋白聚合來響應(yīng)短期機(jī)械刺激。f) T 細(xì)胞的機(jī)械刺激能夠顯著增強(qiáng)鈣信號(hào)，這是 T 細(xì)胞活化的重要標(biāo)志物。

【總結(jié)】

MAM 的未來如何？預(yù)測(cè)該領(lǐng)域在未來幾年的發(fā)展并不容易，因?yàn)?MAM 的新發(fā)展速度很快。該領(lǐng)域的一個(gè)重要領(lǐng)域是磨練用于創(chuàng)建 MAM 的制造技術(shù)。目前絕大多數(shù) MAM 采用薄膜、棒和其他簡(jiǎn)單形狀的形式。雖然通過將這些基本形狀組裝在一起或創(chuàng)建合理設(shè)計(jì)的自組裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的架構(gòu)，但未來幾年改進(jìn)的 3D 打印機(jī)和光刻技術(shù)很可能允許制造令人興奮的新 MAM 幾何形狀。

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