一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面——PICS

8月17日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心研究員杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)在光誘導(dǎo)帶電的超雙疏表面光控液滴及其生物應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Light control of droplets on photo-induced charged surfaces為題，發(fā)表在National Science Review上。該研究針對目前光操控液滴面臨靈活性或可靠性差的問題，構(gòu)建出一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面（photo-induced charged superamphiphobic surface，PICS）。PICS結(jié)合了光與電的雙重優(yōu)勢，通過光熱誘導(dǎo)表面電荷實(shí)時(shí)、高效、持續(xù)再生能力，實(shí)現(xiàn)光控液滴高速、長距離、多模態(tài)、群體精準(zhǔn)運(yùn)動，并進(jìn)一步拓展到具有環(huán)境感知功能的液滴機(jī)器人與細(xì)胞輸運(yùn)等生物應(yīng)用。

液滴操控對于基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用（生化反應(yīng)、診斷分析等）尤為重要。盡管采用電場、磁場等外場操控液滴備受矚目且取得較大進(jìn)展，但這類液滴操控通常需要借助大型設(shè)備、復(fù)雜的電極設(shè)計(jì)，或需添加電/磁響應(yīng)性材料，影響液滴操控的靈活性與持久性。光作為典型的外場之一，雖可通過光化學(xué)、光機(jī)械、光誘導(dǎo)馬蘭戈尼效應(yīng)，或光誘導(dǎo)電場等策略，將光轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱芜\(yùn)動的驅(qū)動力進(jìn)而克服上述問題，卻面臨新問題：光產(chǎn)生的驅(qū)動力較大一部分被界面阻力抵消，導(dǎo)致液滴運(yùn)動速度慢、距離短且靈活性差；采用紫外光、光響應(yīng)性試劑或因光導(dǎo)致的損傷等問題，使其在無污染、生物相容性好、可靠性需求高的生化領(lǐng)域應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。

科研團(tuán)隊(duì)采用具有高效光熱與導(dǎo)熱性能的液態(tài)金屬顆粒（LMP），與具有獨(dú)特鐵電效應(yīng)的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物【P(VDF-TrFE)】復(fù)合，構(gòu)建了一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面——PICS，通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）揭示該智能高分子材料表面電荷實(shí)時(shí)、原位、高效再生能力。研究發(fā)現(xiàn)，在較低光強(qiáng)的近紅外光（NIR，100 mW/cm2）照射下，毫秒級內(nèi)即可產(chǎn)生表面電荷密度達(dá)252 pC/mm2，且PICS表面電荷高效再生能力在較高環(huán)境濕度（~90%）與溫度（~70 ℃）等極端環(huán)境下幾乎不受影響，其電荷高效再生性能在持續(xù)10000次光照循環(huán)后仍維持穩(wěn)定?；赑ICS獨(dú)特的光與電雙重優(yōu)勢，研究實(shí)現(xiàn)了PICS上光控液滴高速（8 μL水滴，平均速度：~ 35.9 mm/s）、長距離、多模態(tài)（向前、向后、旋轉(zhuǎn)）、集體定向運(yùn)動，且光控液滴高速運(yùn)動在較高環(huán)境濕度、逾100次循環(huán)后仍可維持穩(wěn)定，并可拓展到如高濃度氯化鈉（1 M）等復(fù)雜溶液；研究采用麥克斯韋應(yīng)力張量模型分析驗(yàn)證了光控液滴運(yùn)動機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)了光操控液滴在液滴機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用：光操控液滴在PICS共形貼合的管內(nèi)搬運(yùn)物體、穿梭小隧道、清除粉末、避障運(yùn)動，以及光操控液滴運(yùn)動同時(shí)通過液滴肉眼可見的顏色變化實(shí)時(shí)感知環(huán)境磁場變化；研究拓展了液滴機(jī)器人在細(xì)胞輸運(yùn)、生化檢測等生物領(lǐng)域應(yīng)用。

圖1 大面積制備具有優(yōu)異力學(xué)特性的PICS及其光誘導(dǎo)電荷實(shí)時(shí)再生性能

圖2 PICS上采用手持激光筆操控液滴機(jī)器人

PICS融合了光與電的雙重優(yōu)勢——通過光誘導(dǎo)表面實(shí)時(shí)、高效與穩(wěn)定電荷再生，實(shí)現(xiàn)液滴靈活、高速、長距離及按需操控，拓展了光控液滴在液滴機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用；其操控條件溫和且生物相容性好，促進(jìn)了光操控液滴在細(xì)胞輸運(yùn)、生化檢測等領(lǐng)域應(yīng)用。這類新型的光誘導(dǎo)表面帶電的智能高分子材料及其靈活、高效、可靠的液滴操控能力，有望促進(jìn)智能界面材料、微流體及其在生物與化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市學(xué)科布局等的支持，并獲得蘇州大學(xué)與香港城市大學(xué)的科研人員的幫助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac164

審核編輯 ：李倩