生物體有著不同於人工合成材料的形成模式：它們可以生長但是人工合成材料不可以。簡單來說，生長可以被認為是由一系列不同的進程所組成的，包括攝入食物，吸收食物中的營養，營養的傳輸以及將營養轉化/融合成身體的一部分。然而，如何通過合理的設計來更好的模擬生長這種行為，以此來研究其在生物工程方面的應用是一個難題。
近日，德國萊布尼茨新材料研究所/電子科技大學崔家喜教授團隊與上海科技大學的鄭宜君教授通過使用光調控的分子轉移來實現了材料的定向生長。該成果以 Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 為題發表在國際頂刊Nature Communications （IF:11.878）上，文章第一作者為博士生薛璐璐，崔家喜教授和鄭宜君教授為論文共同通訊作者。
在這個工作中，他們將“生長”這個機制運用到單個聚合物體系中，實現了對可聚合分子的吸收，分子的遷移以及新生成的聚合物與原始聚合物之間的交換與融合。當設計可生長材料的時候，他們發現可以通過簡單的溶脹來實現對可聚合分子的吸收，且這些分子可以通過聚合的方式與基材進行融合。然而，如何在三維聚合物網絡中對分子進行有效地遷移是困難且複雜的。因此，在三維聚合物網絡的特定位置上進行生長是較難控制的。他們發現，在凝膠基質中，可電離的離子對的形成能夠顯著增強聚合物網絡的溶脹能力。基於此，他們通過控制可電離的離子對的原位形成來調控分子在三維網絡中的遷移。他們將在紫外光下可光解的硝基苯分子（o-nitrobenzyl ester）引入到聚（4-羥基丁基丙烯酸酯）（poly(4-hydroxylbutyl acrylate)）彈性體網絡中，通過光照劑量來使微結構生長在溶脹的基材表面（圖 1）。在他們的設計中，三種不同的反應---光降解，光聚合和酯交換匯集在一個體系中，分別起到了引導液體組分（營養液）在三維網絡中的遷移，將液體組分轉化為聚合物以及重構新生成的聚合物和原始聚合物的作用。基於這些反應，在不需要任何預先處理下，微結構可以直接從基材的表面生長起來，就像小草破土而出那樣。
圖 1. 在基材表面通過光來調控生長的示意圖。 (a)可生長的“種子”的組成部分。 (b)溶脹的“種子”。用於溶脹的培養液包括單體，交聯劑，光引發劑和酯交換催化劑。(c) 選擇性紫外光在溶脹基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以產生可電離的離子對，該離子對可以誘導液體組分向被照射區域的遷移。(d) 光聚合產生新的聚合物。 (e) 通過酯交換，新產生的聚合物網絡可以和原先的聚合物網絡融合在一起。
這一設想被一系列的實驗作證實。當得到含硝基苯和4-羥基丁基丙烯酸酯的彈性體後，他們將其在培養液（包括單體，交聯劑，光引發劑和酯交換催化劑）中溶脹，並且使用紫外光源使硝基苯的物質降解，驅動單體和交聯劑的聚合，以及原始聚合物網絡和新生成聚合物網絡間的酯交換。由於這些反應的發生，不同的表面結構從溶脹的彈性體表面生長起來（圖2）。通過改變不同的參數，這些生長出來的結構擁有著可調的尺寸，組成和機械性能。這些靈活的可調節特性不僅可以在材料表面製備微結構，還可以用於大面積的材料損傷自修復
圖 2. 光照條件下微結構在基材表面生長（側視圖）的時間依賴性。光照強度：10 mW·cm-2。 光掩模尺寸：500 µm。比例尺：250 µm。
該工作得到了萊布尼茨研究經費，上海科技大學啟動經費和中國國家留學基金委的支持。
作者簡介崔家喜教授，主要研究方向包括動態軟材料、響應性高分子、仿生材料、高性能水凝膠、生物材料等領域。在 Nature Materials, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials 等國際著名期刊發表學術論文 70 多篇，作為主要發明人獲得美國專利授權 2 項，H 指數 26。編寫英文專著（章節）2 部。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x
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