一、研究背景
受生物启发的磁响应水凝胶，在磁性软机器人和生物医学领域取得了显著进展，具有无侵入和导航的技术优势。特别是在极其狭窄的空间中，磁响应水凝胶展现了作为磁致动机器人的巨大潜力。例如，制造了具有超柔软性和弹性的凝胶态磁响应DNA机器人，由于DNA网络中独特的持久性和动态交联，该机器人在封闭的环境中表现出导航能力。为了更灵活的操作，微型软磁流体机器表现出通过时空编程磁场触发的各种地形重构，以执行拉伸、跳跃、旋转、翻滚、皮划艇和编织等多种运动。基于无机-有机杂化核壳纳米颗粒的超分子自组装，制备了可磁性驱动和水不混溶的凝聚层，作为在狭窄空间中移动的磁场驱动液体机器人，用于血管内导航。从方案1i，ii中可以看出，磁场驱动的软水凝胶激励器通过保持凝胶状态或溶胶状态流体在狭窄和有限的空间中进行运动。
然而，由于固定的形状和尺寸，凝胶态磁性水凝胶在各种不规则空间中的运动会受到抑制。另一方面，溶胶态磁流体可能会在非常狭窄的空间中留下过量未经处理的残留物。相反，许多生物系统中的组织或器官呈现出超越简单凝胶或溶胶状态的复杂状态。软组织表面的粘液层，它们能够保持整体形状（如软骨骨膜上的滑膜和身体粘膜上的粘液）或进行运动（如蜗牛、鱼和蚯蚓分泌的粘液），呈现出介于凝胶状态和溶胶状态之间的中间状态（方案1iii）。因此，开发具有凝胶-溶胶二元状态的生物激励磁响应水凝胶仍然是一个挑战，能够在无磁场下分泌液体。
方案1. 磁性响应软材料的三种状态：i）凝胶状态，ii）溶胶状态和iii）凝胶-溶胶状态
二、研究成果
近日，吉林大学宋文龙教授团队，受生物系统的动态液体润滑机制的启发，通过将磁响应明胶和Fe3O4-NH2纳米颗粒网络嵌入聚乙烯醇（PVA）的共价网络中，开发了一种新型的磁响应半转化水凝胶（MSCH），其可以在凝胶状态和凝胶-溶胶状态之间切换以响应磁刺激。这一特性源于磁场作用下，明胶链上共轭的磁性颗粒通过静电相互作用产生的力，有效驱动了明胶三螺旋结构的分解，而共价网络保持了水凝胶的结构完整性。这导致MSCH表面形成了一层溶胶层，使得MSCH能够在磁场下有效通过受限通道或障碍物。MSCH将为磁场相关的软机器人或致动器提供了一种极具潜力的新型替代模式。相关研究工作以“Bio-Inspired Magnetic-Responsive Supramolecular-Covalent Semi-Convertible Hydrogel”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
三、研究内容
为了构建磁响应超分子非共价系统，通过正Fe3O4-NH2纳米粒子和负电荷明胶链之间的静电相互作用，组装了由氨基修饰的Fe3O4纳米粒子（Fe3O4-NH2）和具有三螺旋结构的交联明胶组成的磁响应水凝胶（图1a）。预计它会随着磁场开启（MF-On）或关闭（MF-Off）而表现出凝胶-溶胶的转变。由于水凝胶网络中的弱非共价键，这种磁响应水凝胶可以通过机械力或磁场的调节来实现凝胶-溶胶的转变。凝胶-溶胶转变的应力点从103.8Pa降低到1.9Pa，水凝胶中的凝胶浓度从20.0降至10.0mg·mL-1（图1c）。这种极低的触变应力对于通过磁场触发水凝胶的凝胶-溶胶转变至关重要。当磁体和磁响应水凝胶（15mg·mL-1的明胶，20mg·mL-1的Fe3O4-NH2）之间的距离小于10mm时，磁力超过39Pa，确保了磁场能够驱动凝胶-溶胶转变（图1d）。
利用差示扫描量热法（DSC）, 研究了磁性响应明胶/ Fe3O4-NH2水凝胶的耐热性。结果显示，当水凝胶在25°C、30°C和35°C的温度下进行退火处理后，其熔化温度（Tm）从78.4°C降低至72.4°C。表明，温度的升高会降低明胶三螺旋结构的热稳定性，甚至导致其分解。关于磁场的影响，随着磁场作用时间的延长，Tm从78.4°C降低到71.8°C，与DSC的温度结果相似。表明磁响应凝胶化/ Fe3O4-NH2水凝胶在磁场下发生凝胶-溶胶转变（图1f）。
图1. 磁性超分子水凝胶的制备与表征
通过将磁响应明胶/Fe3O4-NH2网络嵌入共价PVA网络中，合成了MSCH（图2a）。当磁场作用于MSCH时，水凝胶中的磁响应明胶/Fe3O4-NH2网络分解，凝胶-溶胶从表面向内部转变。所得溶胶出现在MSCH表面上，形成一个润滑层（图2b）。溶胶层主要由明胶链与Fe3O4-NH2纳米颗粒通过静电相互作用组成，而PVA聚合物网络在磁场下保持完整，作为机械支撑。此外，由于明胶链与Fe3O4-NH2纳米颗粒纠缠在PVA网络中，大多数明胶链被固定在水凝胶表面，使其难以溶解在周围的液体环境中。因此，开发的MSCH可能会将溶胶状态残留物的影响降至最低。
为了研究超分子组分对MSCH力学性能的影响，将水凝胶中Fe3O4-NH2/明胶/PVA组分的质量比分别选择为20:15:15、20:15:30、20:15:45、20:15:60和20:15:75。所得MSCH的机械强度、含水量和孔隙率，如图2c所示。随着共价PVA组分含量的增加，MSCH的断裂应力从0.61±0.23提高到3.99±1.87MPa，相应的含水量从97.1%±0.2%降低到91.6%±0.2%，孔隙率从81.5%±5.6%降低到43.2%±11.6%。Fe3O4-NH2/明胶/PVA质量比为20:15:75的MSCH具有最高的机械强度。此外，CCK8结果表明，用L929细胞系培养1天后，五浓度MSCH的细胞活力高于80%。结果表明，所制备的MSCHs是最无毒的，保证了其在生物医学中应用的可能性。
图2. 磁响应半转化水凝胶的制备与表征
为了修饰Fe3O4纳米颗粒，三个氨基末端基团（-NH2，-NH(CH3)，和─N(CH3)2）被引入到Fe3O4纳米粒子表面（图3a）。未固定氨基的Fe3O4显示出负表面电势（−4.08±0.62mV）。在不同的氨基修饰后，磁性粒子的表面电势分别为28.49±0.46、33.93±0.06和36.53±0.38mV（图3b）。在引入明胶后，带正电荷的Fe3O4纳米颗粒与带负电荷的明胶静电相互作用，导致Fe3O4的表面电势反转为负表面电势。随着改性Fe3O4的表面电位逐渐增加，其流体动力学尺寸从209.5±3.5nm增加到333.9±4.2nm，氨基端为-NH2至-NH(CH3)和─N(CH3)2（图3c）。这一结果表明，─N(CH3)2末端基团与明胶链表现出很强的结合力，然而，它对Fe3O4纳米颗粒和明胶网络的组装是鲁棒的，使得凝胶-溶胶的转变变得困难。因此，在我们的实验中，主要选择了-NH2基团封端的Fe3O4纳米粒子来构建半转化水凝胶。
图3. 通过Fe3O4纳米粒子的荷电状态探索磁性响应水凝胶的分解能力
为了确定在磁场作用下水凝胶表面润滑层的形成，在图4a中的磁场持续时间之后，对水凝胶表面进行了直接观察。作为比较，选择了三种不同的样品，包括MSCH、含有Fe3O4-NH2纳米颗粒的PVA水凝胶（Fe3O4-NH2/PVA）和明胶/PVA水凝胶。对于MSCH，磁性驱动的拆卸将与磁场的应用同时开始，并且在5min内开始在表面上出现溶胶层。在磁场下，Fe3O4-NH2/PVA或明胶/PVA水凝胶的表面没有观察到液体层。对MSCH的SEM观察显示，在MF-On的水凝胶表面上有一个不规则的纤维层，MF-Off的表面上没有发现这种结构（图4b）。在磁场下，该液体层的厚度随着时间的推移而增加，60min后达到≈45μm（图4c）。相应地，磁场持续时间后，MSCH上的COF从0.071±0.004降至0.022±0.006（图4d）。关于Fe3O4-NH2/PVA和明胶/PVA表面的COFs，随着磁场暴露时间的延长，没有明显的变化。表明明胶网络与Fe3O4-NH2纳米颗粒的结合是水凝胶实现磁响应润滑性能的关键。
图4. 在磁场下形成的磁响应半转化水凝胶上的溶胶层的鉴定
通过紫外光谱法对磁场下获得的表面提取物进行了润滑层的化学成分分析。当磁响应时间从10min增加到60min时，提取物在水凝胶表面波长260nm处的宽吸收带逐渐增加，可能归因于对氨基酸残基英格拉丁的吸收（图5a）。这表明，液层中的明胶随着磁场持续时间的增加而逐渐增加，即明胶与磁性Fe3O4-NH2纳米颗粒的分解过程逐渐发生。通过使用明胶浓度的校准曲线，估算出MSCH表面的明胶含量≈0.972mg（图5b）。使用表面力探针（直径5mm，下降速度0.05mm·min-1）评估了MF-Off和MF-On条件下MSCH表面力学性能的变化，表面力从71.88mN下降到47.22mN，具有较大的滞后。这种力学性能的下降可能归因于磁场诱导分解后水凝胶中聚合物网络结构的松弛（图5c）。当从俯视图观察表面时，与MF-Off的表面结构相比，水凝胶表面出现了不规则的纤维结构（图5d，e）。对MF-Off和MF-On的MSCH进行冷冻干燥并通过DSC进行分析（图5f），MF-On（ΔH=14.618J·g-1）的ΔH低于MF-Off（ΔH=20.933J·g-1），这进一步证实了磁场对MSCH表面力学性能的影响，与图5c中的力学测试结果相吻合。
图5. MF-On和MF-Off的表征
为了证明磁响应水凝胶在智能软致动器上的潜在应用，在表现出弱疏水性的聚甲基丙烯酸甲酯基底上进行了一系列示范实验，水接触角为83.4±4.3°，如图6所示。首先，当MSCH被放置在斜坡基底（MF-Off）的上方时，它不能被磁体（300mT）向上驱动，如图6a所示。然后在磁场（300mT）下暴露15min后，它可以在磁铁的驱动下向上攀爬（图6a）。此外，为了扩展可应用的基底材料，引入铝（Al）进行磁响应润滑演示。MSCH在磁场（300mT）下暴露15min后，它可以沿着斜坡基底向下滑动。其次，MSCH（直径11mm）在磁体驱动的基板上缓慢移动，但无法通过宽度为10mm的窄聚甲基丙烯酸甲酯通道。当磁场同时作为散光器作用15min时，MSCH可以通过通道（图6b）。这可归因于磁场作用下水凝胶表面形成的润滑层。
图6. 磁性响应半可转换水凝胶的演示
四、结论与展望
总之，通过磁性响应和明胶网络与Fe3O4-NH2纳米粒子和PVA共价支持网络的协同策略开发了磁响应半转化水凝胶。当受到磁场作用时，Fe3O4-NH2（通过静电组装在明胶链上）会引发明胶三螺旋结构的分解，导致水凝胶中部分的凝胶-溶胶转变。MSCH表面溶胶层的形成具有仿生润滑功能，使得MSCH能够减少摩擦以克服障碍，并在复杂的通道中操纵和导航。所制备的超分子半转化水凝胶将是一种很有前途的工具，用于设计集成磁场活性软材料的智能水凝胶致动器。由于部分凝胶-溶胶的可透过性，磁响应半转化水凝胶在软机器人、生物医学、焦油药物递送和微创手术中显示出巨大的应用潜力。在软机器人领域，磁响应半可转换水凝胶可以减少磁场下的摩擦，使其能够在狭窄空间内航行或逃脱限制。在生物医学领域，由于其主要由磁性纳米颗粒、明胶和PVA组成，确保了良好的生物相容性，还能通过模拟生物活性润滑，在生物组织内实现更顺畅的移动和操作。当载药水凝胶通过磁场定向到特定位置时，它们可以在持续的磁影响下进行部分凝胶-溶液转变，以实现焦油状药物递送。这种主动润滑能力也使其在微创手术器械中具有很高的潜力。
文献链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202401645
