高分子科學系武培怡課題組最新研究發(fā)表在《自然通訊》上
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? ? ? ?隨著人們對自然界和生物體的不斷深入認知，如何模仿并創(chuàng)造類似自然生物的仿生結構和功能受到越來越多的關注。例如，人的皮膚具有良好的力學適應性，自我修復能力，可以通過不同的感受器來感知外界環(huán)境的變化，是人與外界交互的重要傳感媒介之一。如何仿生皮膚的力學性能和感知功能迄今仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是物聯(lián)網構筑和人工智能領域的有趣話題。在人工合成材料之中，具有三維水性網絡的水凝膠與天然皮膚的結構和力學性質有一定相似性，都具有低模量和高含水率的特點，但是普通水凝膠缺乏像人體皮膚那樣高度集成的感知功能、對動態(tài)界面的力學適應性和受損以后的自修復能力。近期，復旦大學武培怡教授課題組在這一領域提出一種新思路，利用一種超分子聚電解質水凝膠來模仿天然皮膚，其中的動態(tài)交聯(lián)網絡賦予超分子水凝膠多種優(yōu)異的力學性質，而動態(tài)網絡內的自由離子傳輸則實現(xiàn)了信息傳遞和對外界刺激的感知。相關工作以A supramolecular biomimetic skin combining a wide spectrum ofmechanical properties and multiple sensory capabilities為題在《Nature Communications》上在線發(fā)表(Nat. Commun.2018,?9,1134)。
? ? ? ?武培怡教授研究課題組長期致力于二維相關光譜表征分析高分子體系的物理和化學性質，通過先進譜學信息揭示分子間相互作用、微觀結構、與材料宏觀性質之間的關系，推動高分子軟物質材料的分子機理研究、合成設計、以及仿生智能器件應用。從理解并調控高分子間動態(tài)相互作用的角度出發(fā)，設計了多個高分子動態(tài)交聯(lián)體系，以實現(xiàn)對皮膚力學性質和感知功能的模仿。此前報道了利用礦物水凝膠（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321,）和溫敏水凝膠（Mater.Horiz.2017,4,694-700,）用以仿生皮膚的力學性質和感知功能，可以為動態(tài)曲面提供更好的界面匹配和力學適應性，實現(xiàn)了高靈敏感知，自主自修復效果，并且提出了基于材料相變行為的感知功能新設計。
? ? ? ?在此基礎上，武培怡教授組直博生雷周玥在Nature Communications上進一步報道了一種基于超分子水凝膠的仿生智能皮膚。利用三種分子間非共價相互作用 （氫鍵、親疏水作用、離子相互作用），實現(xiàn)多重動態(tài)交聯(lián)網絡，僅需簡單的無規(guī)共聚反應，所形成的透明超分子水凝膠集合了一系列類似皮膚甚至超越皮膚的力學性質，具有壓縮回彈性，可大幅拉伸，遭遇創(chuàng)傷快速自修復，并且在室溫下的任意塑形。
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?視頻：超分子水凝膠的回彈性、可拉伸以及塑形效果（4倍播放速度）?
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? ? ? ?當基于這種超分子水凝膠的仿生皮膚貼在塑料假肢手指上時，它使得假肢手指能夠通過電容和電阻信號分別感知應變和溫度刺激，模擬了人體皮膚的機械和溫度感受器。它可以根據變形過程中的電容變化記錄手指的彎曲伸直運動信息，并在人的手接觸假肢時，通過實時降低的電阻信號來反饋假肢表面溫度的升高。
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圖1：超分子水凝膠通過模擬皮膚中機械感受器和溫度感受器，也能簡單區(qū)分不同的外界刺激，賦予塑料假肢對機械運動和溫度刺激的感知能力。（標尺：2 cm）
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? ? ? ?這一研究展示了超分子水凝膠在仿生皮膚力學性能和傳感功能的獨特優(yōu)勢，為開發(fā)新型仿生智能皮膚提供了新途徑。結合高分子譜學表征對分子間相互作用的分析、理解和篩選，課題組也致力于進一步優(yōu)化高分子軟物質材料在仿生智能器件中的發(fā)展和應用。該課題得到了國家自然科學基金重點項目 (51733003)和國家自然科學基金面上項目 (21674025, 51473038) 的資助與支持。文章第一作者為復旦大學高分子科學系直博生雷周玥。
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附：直博生雷周玥發(fā)表的系列文章：
1. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*, Nat. Commun.2018,?9,1134.
2. Zhouyue Lei, Quankang Wang, and Peiyi Wu*, Mater. Horiz. 2017, 4, 694-700.
3. Zhouyue Lei, Quankang Wang, Shengtong Sun,Wencheng Zhu, and Peiyi Wu*, Adv. Mater. 2017, 29, 1700321.
4. Zhouyue Lei, Shengtong Sun*, and Peiyi Wu*,ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 4499–4504.
5. Zhouyue Lei, Shengtong Sun*, and Peiyi Wu*,Nanoscale 2016, 8, 18800-18807.
6. Zhouyue Lei, Yuanyuan Zhou, and Peiyi Wu*,Small 2016, 12, 3112–3118.
7. Zhouyue Lei, Wencheng Zhu, Shengjie Xu,Jian Ding, Jiaxun Wan, and Peiyi Wu*, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8,20900–20908.
8.ZhouyueLei, Shengjie Xu, and Peiyi Wu*, Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 70-74.
9. Zhouyue Lei, Shengjie Xu, Jiaxun Wan, andPeiyi Wu*, Nanoscale 2016, 8, 2219-2226.
10. Zhouyue Lei,Shengjie Xu, Jiaxun Wan, and Peiyi Wu*, Nanoscale 2015, 7, 18902-18907.
11. Shengjie Xu,Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16337-16347.
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