在自然界中生物能夠?qū)ν饨绱碳ぷ龀龇磻?yīng)并產(chǎn)生特定的形狀變化，這種響應(yīng)行為對生物體的生存和繁衍至關(guān)重要。在眾多材料中，水凝膠因其模量適中，刺激響應(yīng)條件多樣以及生物相容性好等因素而引起了廣泛關(guān)注。隨著仿生學(xué)以及材料科學(xué)的發(fā)展，能夠感知和響應(yīng)外部刺激的智能水凝膠致動器在軟體機(jī)器人、傳感和遠(yuǎn)程操控等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。目前，微加工技術(shù)已經(jīng)將響應(yīng)型水凝膠致動器的尺寸縮小到微米級。然而，如何在微尺度下構(gòu)建能夠?qū)?fù)雜的微環(huán)境進(jìn)行多重響應(yīng)的水凝膠微致動器仍然是一個挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員鄭美玲團(tuán)隊在雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動器的研究工作中取得進(jìn)展。團(tuán)隊通過非對稱飛秒激光直寫加工制備了一種雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動器。該水凝膠微結(jié)構(gòu)對pH／溫度的雙重協(xié)同響應(yīng)是通過添加功能單體2－（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯實現(xiàn)的。通過水凝膠微結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析，解釋了不同pH和溫度下協(xié)同響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，并且展示了由pH或溫度控制的聚苯乙烯微球的捕獲。該研究為設(shè)計和制造可控的微尺度致動器提供了一種策略，并在微機(jī)器人和微流體中具有應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表于Small 。

飛秒激光直寫加工技術(shù)由于具有超高的空間分辨率、三維加工能力和無需實體掩膜等特點，被廣泛用于制備各種三維微結(jié)構(gòu)。研究人員利用含有功能單體的光刻膠，通過調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描策略實現(xiàn)了具有不對稱交聯(lián)密度的雙重響應(yīng)水凝膠微結(jié)構(gòu)的制備（圖1）。

進(jìn)一步地，研究人員制備了含有三個不對稱微臂的微致動器來提高對不同環(huán)境的刺激響應(yīng)能力。該微致動器由三個交聯(lián)密度交替分布的微臂組成。為了更加方便地展示水凝膠微致動器在不同溫度及pH條件下的可控性，研究還使用了直徑10微米的聚苯乙烯微球作為目標(biāo)顆粒在不同條件下進(jìn)行捕獲（圖2）。

此外，研究人員還描述了一種具有雙刺激協(xié)同響應(yīng)特性的微致動器（圖3），其具有的更為豐富的形狀變化是由溫度升高時的氫鍵斷裂與酸性條件下叔胺基的質(zhì)子化同時作用產(chǎn)生的。該研究提出的雙重刺激協(xié)同響應(yīng)特性相較于單一響應(yīng)刺激賦予了微制動器更大的可操控性，這一特性使其在微操縱和微型軟體機(jī)器人方面具有潛在應(yīng)用。

圖1?雙刺激協(xié)同響應(yīng)型水凝膠微致動器的制備與響應(yīng)機(jī)制

圖2?雙重刺激響應(yīng)型水凝膠微致動器的捕獲行為

圖3?水凝膠微致動器的雙重刺激協(xié)同響應(yīng)特性