螢火蟲啟發(fā)的3D可打印多刺激響應(yīng)熒光水凝膠及其自適應(yīng)發(fā)光特性

來源：EFL生物3D打印與生物制造

自然界中螢火蟲、水母等生物發(fā)光體具有濕潤、柔軟、靈活及多刺激響應(yīng)的發(fā)光能力，可實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互適應(yīng)。然而，開發(fā)模仿這些特性的人工發(fā)光材料仍面臨挑戰(zhàn)：現(xiàn)有熒光水凝膠大多僅能對(duì)單一刺激（如特定溶劑、離子、溫度等）產(chǎn)生獨(dú)立響應(yīng)，缺乏動(dòng)態(tài)協(xié)同效應(yīng)，且熒光亮度和響應(yīng)速率提升受限，同時(shí)其結(jié)構(gòu)多局限于簡單二維形狀，難以構(gòu)建復(fù)雜三維仿生結(jié)構(gòu)。   

來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Jinhye Bae教授團(tuán)隊(duì)，受螢火蟲發(fā)光機(jī)制（氧氣和溫度調(diào)控?zé)晒鈴?qiáng)度）啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于三維打印技術(shù)的多刺激響應(yīng)熒光水凝膠。團(tuán)隊(duì)通過將聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）基質(zhì)、納米粘土（NC）與含四苯基乙烯（TPE）的分子添加劑（p(NIPAM-co-AM)-UPy）結(jié)合，構(gòu)建了可響應(yīng)水和溫度的熒光體系：水作為親水性溶劑可觸發(fā)TPE聚集并激活熒光，溫度升高通過PNIPAM基質(zhì)收縮增強(qiáng)TPE聚集程度以提升熒光強(qiáng)度。此外，借助NC的流變調(diào)控作用，該水凝膠前驅(qū)體可通過3D打印形成復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（如仿生發(fā)光生物模型），并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息加密-解密顯示。   

相關(guān)工作以“Firefly-Inspired 3D Printable Multi-Stimuli-Responsive Fluorescent Hydrogels with Adaptive Luminescence”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

研究內(nèi)容
1. 螢火蟲發(fā)光機(jī)制與仿生水凝膠設(shè)計(jì)示意圖，通過仿生學(xué)設(shè)計(jì)與流程示意圖的方法，研究了螢火蟲發(fā)光原理（氧氣、溫度調(diào)控?zé)晒猓┡c熒光水凝膠的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，水作為親水性溶劑可觸發(fā)p(NIPAM-co-AM)-UPy分子添加劑聚集，誘導(dǎo)TPE顆粒熒光激活；溫度升高（>32℃）通過PNIPAM基質(zhì)收縮進(jìn)一步增強(qiáng)TPE聚集，使熒光強(qiáng)度提升60%，模擬螢火蟲溫度依賴的發(fā)光增強(qiáng)行為。      

圖1. 螢火蟲發(fā)光機(jī)制與仿生熒光水凝膠設(shè)計(jì)示意圖。   

2. 水凝膠溶劑響應(yīng)性與熒光可逆調(diào)控研究，通過紫外-可見光譜、熒光光譜及動(dòng)態(tài)光散射（DLS）的方法，研究了水-DMSO混合溶劑中TPE顆粒的聚集-分散行為。結(jié)果表明，當(dāng)水體積分?jǐn)?shù)（fw）≥20%時(shí)，TPE聚集并激活熒光，且fw=100%時(shí)熒光最強(qiáng)；DMSO處理可使TPE分散并熄滅熒光，經(jīng)5次循環(huán)后含UPy和p(NIPAM-co-AM)的PPU-TPE水凝膠熒光強(qiáng)度保持率達(dá)90%，顯示優(yōu)異可逆性。      

圖2. 水凝膠溶劑響應(yīng)性與熒光可逆調(diào)控分析。   

3. 溫度響應(yīng)性與熒光增強(qiáng)機(jī)制研究，通過熒光光譜、體積膨脹率測試及掃描電子顯微鏡（SEM）的方法，研究了溫度對(duì)PNIPAM基質(zhì)構(gòu)象和TPE聚集的影響。結(jié)果表明，溫度升至40-70℃時(shí)，PNIPAM鏈從舒展轉(zhuǎn)為收縮，導(dǎo)致TPE聚集密度增加，熒光強(qiáng)度隨溫度升高呈線性增強(qiáng)（70℃時(shí)提升60%），且基質(zhì)體積收縮率僅11%，證實(shí)納米尺度聚集是熒光增強(qiáng)的主因。      

圖3. 水凝膠溫度響應(yīng)性與熒光增強(qiáng)機(jī)制分析。   

4. 水凝膠前驅(qū)體流變性能與3D打印能力評(píng)估，通過流變儀測試、3D打印實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)表征的方法，研究了含納米粘土（NC）的水凝膠前驅(qū)體的可打印性。結(jié)果表明，前驅(qū)體具有剪切變稀特性（高剪切速率下黏度≈10 Pa·s）和黏彈性固體行為（儲(chǔ)能模量>損耗模量），可通過擠出成型打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如螢火蟲、 anglerfish模型），打印后結(jié)構(gòu)保真度達(dá)95%，展現(xiàn)優(yōu)異成型能力。      

圖4. 水凝膠前驅(qū)體流變性能與3D打印結(jié)構(gòu)展示。   

5. 動(dòng)態(tài)信息加密-解密顯示性能研究，通過多噴嘴3D打印、熒光圖案設(shè)計(jì)及多刺激處理的方法，研究了不同TPE含量水凝膠的熒光響應(yīng)差異。結(jié)果表明，低TPE含量（0.25%）水凝膠在70℃ DMSO中4分鐘內(nèi)熒光完全熄滅，高TPE含量（1.0%）需7分鐘，利用這一差異可構(gòu)建動(dòng)態(tài)加密系統(tǒng)，通過溶劑和溫度調(diào)控實(shí)現(xiàn)數(shù)字“9”→“4”→“1”的漸進(jìn)式加密及水觸發(fā)解密，響應(yīng)時(shí)間較傳統(tǒng)水凝膠提升5-15倍。      

圖5. 熒光水凝膠動(dòng)態(tài)信息加密-解密顯示示意圖。   

6. 生物相容性與仿生應(yīng)用研究，通過細(xì)胞活性檢測（CCK-8）、活/死染色及組織學(xué)分析的方法，研究了PPU-TPE水凝膠對(duì)雪旺細(xì)胞的毒性及體內(nèi)生物相容性。結(jié)果表明，含1 wt% TPE的水凝膠組細(xì)胞存活率達(dá)92%，植入大鼠體內(nèi)4周后無炎癥反應(yīng)，心肝腎等器官未見毒性；結(jié)合3D打印構(gòu)建的仿生發(fā)光生物模型（如深海發(fā)光魚類）在紫外光下展現(xiàn)逼真熒光效果，驗(yàn)證其生物醫(yī)學(xué)和仿生領(lǐng)域應(yīng)用潛力。      

圖6. 熒光水凝膠生物相容性評(píng)估與仿生模型展示。

研究結(jié)論
本研究設(shè)計(jì)了仿螢火蟲發(fā)光行為的多形狀熒光水凝膠，其熒光可通過水和溫度進(jìn)行多刺激響應(yīng)和可逆調(diào)控。具體而言，p(NIPAM-co-AM)-UPy添加劑增強(qiáng)了熒光強(qiáng)度，并提升了對(duì)周圍溶劑的可逆重復(fù)響應(yīng)能力，且不會(huì)降低熒光強(qiáng)度。此外，水凝膠基質(zhì)的溫度響應(yīng)性收縮或膨脹能夠按需控制熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)或減弱，成功實(shí)現(xiàn)了所開發(fā)水凝膠中熒光的可逆激活-失活和增強(qiáng)-減弱行為。   水凝膠前驅(qū)體良好的可擠出性使其能夠通過3D打印制造各種形狀的熒光水凝膠。除了人工熒光生物模型外，本研究還展示了按需動(dòng)態(tài)信息加密-解密顯示。由于每個(gè)顯示組件的熒光強(qiáng)度和開關(guān)速率可調(diào)，因此可以按需顯示或刪除信息。盡管本研究中使用TPE作為在紫外光下產(chǎn)生熒光的熒光團(tuán)，但其他在不同光波長范圍內(nèi)具有激發(fā)特性并對(duì)各種刺激（如pH、機(jī)械力等）響應(yīng)的熒光團(tuán)，可進(jìn)一步擴(kuò)展熒光水凝膠的潛在應(yīng)用。這種合理的設(shè)計(jì)策略和高性能熒光水凝膠的自由形式制造，將有助于推動(dòng)先進(jìn)熒光水凝膠的發(fā)展。

文章來源：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15111