自维持活性物种跨时间尺度编程水凝胶形态演化

《Matter》：Self-sustaining reactive species program morphological evolution across timescales in hydrogels

　　

进展与潜力

生物系统中从植物叶片的快速感性运动到动物组织的缓慢塑形等形态演化，源于活性化学物种的持续生成与空间组织。然而，当前的形状变形聚合物无法完全重现生物形态动力学，因为它们缺乏能够自主维持、具有生命特征的时空演化反应性物种（STERS）的生成能力。本文报道了一种受生物形态动力学启发的策略，该策略能够实现自主维持的STERS生成，从而在跨越多个时间尺度的层面上编程水凝胶的形态演化。该STERS系统整合了三个关键组分：基于镓的液态金属颗粒（LMPs，负责生成反应性物种）、与LMPs发生反应的传统乙烯基单体，以及用于建立反应性物种时空梯度的近红外（NIR）光。通过协同作用，该系统在单次近红外光照射后长达4周内生成并维持反应性物种（自由基和离子）的浓度梯度，持续引发自由基聚合和离子络合，逐步建立不断演化的交联梯度。该方法使水凝胶能够在微观到宏观尺度上实现可编程的、类似生命体的形态演化，时间跨度从数分钟到数周，并可经历单次和多次形状变形循环。我们进一步将这些形态演化水凝胶拓展至生物医学应用领域，包括在数天时间尺度上引导干细胞向成骨和神经谱系分化，以及在数周时间跨度上监测发育中的大脑脑电图（EEG）信号。这些发现表明，STERS和形态演化水凝胶为下一代智能材料和器件提供了一个极具前景的平台，在机器人、再生医学和脑机接口等领域具有广泛意义。

亮点

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生命特征的、自主维持的STERS生成，可持续长达4周

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近红外光介导的时空反应性物种梯度用于程序化凝胶化

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水凝胶形态演化跨越微观到宏观尺度、数分钟到数周

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面向动态生物医学场景的新型演化水凝胶器件

摘要

跨越多个时间尺度的形态演化由时空演化反应性物种（STERS）驱动，构成了生物系统发育与适应的基础。然而，合成材料极少能重现这种演化形态动力学。本文提出了一种新颖策略，能够以生命特征的方式生成STERS，在微观到宏观尺度上、数分钟到数周的时间跨度内编程水凝胶的形态演化。该STERS系统整合了基于镓的液态金属颗粒、乙烯基单体和近红外（NIR）光，在单次近红外光照射后的数周内建立反应性物种的时空梯度。STERS驱动渐进性自由基聚合和离子络合，生成时空演化的交联梯度，从而实现可编程的形状变换。我们进一步将这些形态演化水凝胶拓展至生物医学应用领域，包括引导干细胞分化和监测发育中的大脑脑电图信号。这些进展为下一代智能材料和器件的设计开辟了新的范式，在机器人、再生医学和脑机接口等领域具有广阔的应用前景。

图形摘要