“偶氮苯”水凝胶：光之舞者

刺激响应性水凝胶体系在生物医学器件、软体机器人等领域内皆具有广泛的应用。通过引入各向异性面内膨胀剖面，薄凝胶片可编程、设计成具有任意高斯曲率分布的形状，在构筑三维凝胶功能器件方面具有独特的灵活性。目前智能变形水凝胶体系的构筑，多通过在水凝胶体系引入不可逆的交联点、掺杂功能组分的各向异性排列以及引入不溶胀非均相组分等策略，取得了系列显著成果。但是，设计、制备具有快速形变能力及可编程三维结构的水凝胶体系仍是一项挑战性工作。

近日，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校Ryan C. Hayward教授等研究者基于聚合物侧链偶氮苯基团与α-环糊精的光控主客体超分子作用，制备了一种具有快速光可控形变的新型智能水凝胶体系。该光敏性水凝胶在溶液体系中溶胀率可通过聚合物结构中偶氮苯基团含量进行精细调控，并且偶氮苯顺反异构化能够诱导凝胶产生约60%的体积变化，薄水凝胶片光刺激形变能够在几十秒内完成。

光敏性水凝胶聚合物结构组成。图片来源：ACS Macro Lett.

光敏性水凝胶体系由异丙基丙烯酰胺（NIPAm）、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺与4-丙烯酰胺偶氮苯通过溶液自由基共聚制备。UV-Vis光谱测试显示，含偶氮水凝胶聚合物呈现两个吸收峰，分别位于360 nm、430 nm处，且呈现出优异的快速光响应性。

光敏性水凝胶光响应性表征。图片来源：ACS Macro Lett.

对水凝胶体系溶胀率（体积）的光响应性测试显示：在365 nm（50 mW cm^-2）光照30 s后水凝胶薄片体积降低约50%。同时，对比实验表明水凝胶体系产生的可逆光控体积变化源于偶氮苯顺反异构化反应（光化学作用）诱导的偶氮苯与环糊精主客体相互作用的变化，而非源于光热效应引起的聚异丙基丙烯酰胺组分的相变行为。

水凝胶体系光控溶胀率变化。图片来源：ACS Macro Lett.

进一步基于图案化光照策略对水凝胶薄片进行光诱导形变调控，不同的UV/Vis光照条件能够实现水凝胶系列3D形状的可逆调控；同时，该凝胶体系光控形变室温下能够维持长达15 h或白光（≈100 mW cm^-2）辐照60 s快速恢复初始状态，应用更为广泛。

水凝胶体系光控形变性能表征。图片来源：ACS Macro Lett.

总结

本文通过水凝胶聚合物分子结构设计，基于偶氮苯基团与环糊精的光控主客体作用实现了水凝胶体系可编程、快速3D变形。该水凝胶体系在室温下的快速、曲率可控形变能力使其在生物医学领域药物传递、组织工程等应用方面具有广阔的前景。

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Reconfiguring Gaussian Curvature of Hydrogel Sheets with Photoswitchable Host-Guest Interactions

Alexa S. Kuenstler, Markus Lahikainen, Hantao Zhou, Wenwen Xu, Arri Priimagi*, and Ryan C. Hayward*

ACS Macro Lett., 2020, 9, 1172–1177, DOI: 10.1021/acsmacrolett.0c00469