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中科院深圳先进院杜学敏团队 AFM:仿含羞草的高灵敏、多重响应淀粉基智能驱动器
2023-07-11  来源:高分子科技

  仿生智能驱动器因能模仿自然界生物在外界刺激下改变形态、颜色和运动行为,故在软体机器人、人机界面和生物医学器件等新兴领域展现了巨大应用潜力。近年来,尽管基于合成聚合物的智能驱动器取得了广泛进展,但它们在可再生、可持续和生物安全性方面仍面临挑战;虽然基于天然聚合物的驱动器与自然生物系统的组织成分更为接近,但这类聚合物中大量存在的氢键作用导致其驱动行为较为单一。作为一类典型的天然聚合物,淀粉因可再生、生物相容好且可降解,故在生物医学、食品等领域有广阔应用前景,且其分子链中存在的大量强氢键使其具备独特的糊化特性,但与此同时,也限制了其驱动行为;虽通过化学改性或者引入合成聚合物等方式调控氢键可赋予其优异的驱动特性,但这不可避免地影响淀粉再生特性和生物安全性等优异性能。



  近日,中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏研究员团队基于淀粉丰富的氢键和独特的糊化特征,提出了新的氢键介导策略并成功构建仿含羞草的高灵敏、多重响应淀粉基智能驱动器:未糊化淀粉基驱动器通过光热触发淀粉局部糊化——淀粉颗粒分子间氢键不可逆“解锁”,进而实现各种复杂形态的不可逆光控编辑;糊化后的淀粉基驱动器在低湿(~10.2 %)、近人体体温(~ 37 ℃)或低强度光照(0.42 W cm-2)触发下淀粉分子间氢键可逆“解锁”, 即可成功实现糊化淀粉基驱动器的高灵敏、多重驱动功能。这类基于天然高分子材料的智能驱动器在人工含羞草、智能灯罩、智能食品等领域有广阔应用前景


  该淀粉基智能驱动器主要由三种组分构成:具有热糊化特性的天然淀粉,源于海洋褐藻的海藻酸钠,和拥有优异光热效应的液态金属颗粒。基于上述一类组分成功构建出两种不同类型的智能驱动器:未糊化淀粉基驱动器和糊化淀粉基驱动器。如图1所示,未糊化淀粉基驱动器在近红外光(4.8 W cm-2)照射下,能实现不可逆精准形变,如“螃蟹”抬爪子的驱动行为;糊化淀粉基驱动器在较低能量的光照下(0.24 W cm-2),即可实现如“五叶花”在空气中光致起舞的可逆高灵敏驱动行为。 


 1. 非糊化/糊化淀粉基驱动器制备及驱动原理


  由于LMPs的高效光热效应,未糊化淀粉驱动器在近红外光光照(4.8 W cm-2)下可快速升温(>80 ℃)至淀粉糊化温度以上,进而触发光照区域内的淀粉颗粒分子间氢键不可逆“解锁”,导致局部糊化并与水形成新的氢键而产生膨胀形变。值得强调的是,通过调节近红外光的光照时间、面积和方向等,即可程控构建出系列复杂三维形状(图2)。 


 2. 非糊化淀粉基驱动器光程控形变原理及效果


  糊化后的淀粉分子链内的强氢键被打开,被“释放”的羟基极易与环境中的水分子形成新的氢键。故此,糊化淀粉基驱动器在低湿(~10.2 %)、低温(~ 37 ℃)和低光强下(0.42 W cm-2),即可实现分子间氢键的可逆“解锁”,并展现出指端蝶舞的高灵敏驱动响应。值得指出的是,这类多重驱动行为在逾1000次驱动循环后仍未呈现出明显疲劳(图3)。 


 3. 糊化淀粉基驱动器多重响应原理及效果


  基于淀粉基驱动器的多重响应特性,其可以应用于智能家居和变形食物。如图4A所示,糊化后的淀粉基驱动器可以设计成为人工含羞草,在手指的触碰下4 s内即可实现叶片闭合,而天然含羞草叶子则需要15才实现闭合。进一步,在含羞草叶片上设计柔性电极阵列后,即可通过电容信号变化实时定量感知反馈环境变化(图4B)。这类糊化后的淀粉基驱动器还可以设计成智能灯罩(4C-E),这类智能灯罩在开灯的时候自动展开,关灯的时候则自动闭合。此外,采用食品级的淀粉与墨鱼粉复合则可制备出二维平面章鱼,墨鱼粉在光照下可以将近红外光转化为局部热量,导致章鱼的糊化和二维到三维形态转变(4F),这为智能食品开辟了新的途径。值得注意的是,这种由天然来源元素组成的驱动器具有优越的生物降解性(4G),为下一代智能执行器的开发提供了创新的可持续策略。 


 4.淀粉基驱动器传感、驱动应用及可降解特性


  该项研究以“Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators”为题发表在《Advanced  Functional Materials》上,中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员为通讯作者,前研究助理胡豪为第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省区域联合基金重点项目、深圳市杰青等科技项目资助。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202304634


通讯作者简介

  杜学敏,博士,中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心主任、研究员,国家自然科学基金优秀青年基金获得者;入选中国科学院青年创新促进会会员、广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才、深圳市杰青;被遴选为国际仿生工程学会青年委员、中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、中国复合材料学会智能复合材料专业委员会委员;担任Research期刊Associate Editor,The Innovation等期刊青年编委。近年来,以负责人身份主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”课题、基金委国际合作、广东省重点、深圳市杰青等项目多项,相关成果以第一及通讯作者(含共同)发表于Science Advances、Matter、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、National Science Review等期刊,已获授权专利20余项。主要从事智能高分子材料、生物界面、穿戴/植入生物器件(如组织工程支架、生物电子、柔性传感与驱动器)研究。


  团队长期招聘博士后,欢迎将简历发送至:xm.du@siat.ac.cn。

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