【背景】

可程式設計機械活性材料 (MAM)

可感知外部刺激並將其轉換為機械輸出，或者反過來可以檢測機械刺激並透過材料外觀的光學變化或其他變化做出響應的材料。可程式設計 MAM 是響應材料的一個子集，為下一代機器人和智慧系統提供了潛力。

美國埃默裡大學 Khalid Salaita教授團隊

討論了

水凝膠 MAM 的組成以及用於對這些材料進行程式設計的自上而下和自下而上的方法。

接著討論 MAMS 中工程響應性的基本原理，包括光、熱、磁、電、化學和機械刺激。比較了不同響應度的一些優缺點。最後，總結了最近發表的文獻中基於水凝膠的 MAM 的新興應用，以及 MAM 研究的未來前景。

文章“

Programmable Mechanically Active Hydrogel-Based Materials

”發表在期刊《

Advanced Materials

》上。在這篇綜述中，該團隊首先描述了基於水凝膠的 MAM 的化學成分及其製造，然後是實現可程式設計性的具體方法。然後，提供了響應機制的詳細分類，並討論了材料結構與其響應行為之間的密切關係。最後，作者總結了 MAM 在多個學科中的當前應用，以及機械響應水凝膠的未來方向和應用。

【主圖導讀】

圖1，機械活性材料 (MAM) 的常見成分。

多種型別的水凝膠聚合物可以構成可程式設計 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-異丙基丙烯醯胺 （NIPAM） 或聚乙二醇 （PEG）（右），或不同聚合物型別的組合（中）。

圖3，基於水凝膠的 MAM 響應示意圖。

MAM 中的機械驅動可以由各種刺激觸發，具體取決於材料設計。不同的 MAM 對加熱、磁場或電場、光、水合狀態、氧化態、溶液中的特定分子、pH 值、離子強度甚至外在機械力做出響應。

圖5，pH 響應 MAM。

a）聚合物微結構的晶片。晶片上的微柱水凝膠檢測pH 變化。b） 基於 DNA 水凝膠的 MAM，具有響應不同 pH 條件的形狀記憶功能。降低的 pH 值會導致 DNA 鹼基配對的重組，導致凝膠變形。c） 這種反應是高度可逆和可重複的。

圖8，磁場響應 MAM。

a） 嵌入隨機分佈的 MNP 的聚丙烯醯胺水凝膠 MAM。這種材料響應性非常強，即使在低 MNP 含量下，也會在施加的磁場方向上彎曲。b） Fe3O4/pNIPAM 複合材料（黑點），可在施加交變磁場時開啟/關閉微流體通道。該場加熱氧化鐵顆粒，導致開啟通道的 pNIPAM 聚合物消溶脹。c）（左）磁響應 MAM 也可以用預先組織的 MNP 製造。這會引起對所施加磁場方向的敏感性（右），從而形成高度靈敏且可控的軟機器人。

圖12，光響應性 MAM 指導細胞行為。

a） 光機械致動器（OMA）為Au-pNIPMAM 複合奈米粒子，暴露於 NIR 光時會收縮。b） 當暴露於 NIR 光時，OMA 的熒游標記提供了粒子崩潰的證據。c） MAM促進細胞附著，以高空間精度施加力來研究力學在各種細胞型別的細胞活動中的作用。d） 5 天內重複刺激成肌細胞增強了成熟標誌物（左），例如肌球蛋白表達（紅色）和多核化（細胞核，藍色），以及細胞排列（肌動蛋白，綠色；直方圖，右）。e） 成纖維細胞透過向刺激方向延伸並增加肌動蛋白聚合來響應短期機械刺激。f） T 細胞的機械刺激能夠顯著增強鈣訊號，這是 T 細胞活化的重要標誌物。

【總結】

MAM 的未來如何？預測該領域在未來幾年的發展並不容易，因為 MAM 的新發展速度很快。

該領域的一個重要領域是磨練用於建立 MAM 的製造技術。目前絕大多數 MAM 採用薄膜、棒和其他簡單形狀的形式。雖然透過將這些基本形狀組裝在一起或建立合理設計的自組裝結構已經實現了複雜的架構，但未來幾年改進的 3D 印表機和光刻技術很可能允許製造令人興奮的新 MAM 幾何形狀。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adma.202006600

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水凝膠

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