宁波材料所在多色荧光高分子水凝胶构筑仿生皮肤方面取得新进展

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在自然界中，许多生物体根据生存需要逐渐进化出独特的环境适应行为，例如变色龙、树蛙、章鱼等变色生物可以根据环境需要来自适应改变皮肤颜色和图案，以达到交流、伪装等目的。受此启发，科研工作者们希望通过设计智能人工材料（特别是类生物组织的软、湿态高分子水凝胶材料）来复制生物体的环境刺激响应变色行为。这种仿生智能变色水凝胶新材料的发展不仅有利于理解自然界的生物变色现象，还有望在传感检测、柔性显示、变色伪装皮肤、软体机器人等领域发挥重大应用价值。
　　与源于对外界光的吸收、反射或散射而产生的色素色或结构色不同，荧光色是一种发光色，色饱和度高，特别适用于夜晚、森林、海洋、河流等照明不足的环境，因此被认为是色素色和结构色的良好补充。然而，与能够在不同外界刺激环境中呈现丰富多彩皮肤颜色变化的变色龙等生物相比，科研团队制备的多色荧光高分子水凝胶在外界刺激下的发光颜色变化范围仍较窄，尤其是仍难以利用单一水凝胶实现多重刺激响应的宽范围荧光颜色变化。

高分子水凝胶的结构设计示意图和多重刺激响应荧光变色图

　　针对这一难题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队基于前期大量基础研究，提出了精确控制不同荧光团空间分布结构以实现高分子水凝胶荧光颜色有效调控的新策略。最近，研究人员和中科院过程工程研究所周蕾研究员团队合作，发展高分子水凝胶的分子结构设计，将聚集诱导发光的取代萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团分别引入同一水凝胶体系的不同高分子交联网络中（图1）。得益于这一创新材料结构设计，萘酰亚胺型蓝色荧光团和稀土配位型红、绿色荧光团的发光强度可以分别利用不同外界刺激进行独立且连续的调控，从而实现多重刺激（温度、pH、溶剂、离子、光等）响应的红、绿、黄、蓝、紫多色荧光变化。这一研究工作显著拓宽了高分子水凝胶的荧光变色范围，有望应用于智能变色伪装皮肤、仿生智能软体机器人等重要领域。
　　该工作近期以“Supramolecular Hydrogel with Orthogonally Responsive R/G/B Fluorophores Enables Multi-color Switchable Biomimetic Soft Skins”为题发表在Adv. Funct. Mater. 2021, 2108830（https://doi.org/10.1002/adfm.202108830）上。本研究得到了国家自然科学基金（21774138、52073297、51773215）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、国家重点研发计划（2019YFC1606603）、中科院青年创新促进会（2019297）和王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。


       文章来源：宁波材料所