一種基于智能高分子材料的新型超雙疏表面——PICS

8月17日，中國科學院深圳先進技術研究院智能醫用材料與器械研究中心研究員杜學敏團隊在光誘導帶電的超雙疏表面光控液滴及其生物應用方面取得重要進展。相關研究成果以Light control of droplets on photo-induced charged surfaces為題，發表在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結合了光與電的雙重優勢，通過光熱誘導表面電荷實時、高效、持續再生能力，實現光控液滴高速、長距離、多模態、群體精準運動，并進一步拓展到具有環境感知功能的液滴機器人與細胞輸運等生物應用。

液滴操控對于基礎研究與實際應用（生化反應、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展，但這類液滴操控通常需要借助大型設備、復雜的電極設計，或需添加電/磁響應性材料，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、光機械、光誘導馬蘭戈尼效應，或光誘導電場等策略，將光轉變為液滴運動的驅動力進而克服上述問題，卻面臨新問題：光產生的驅動力較大一部分被界面阻力抵消，導致液滴運動速度慢、距離短且靈活性差；采用紫外光、光響應性試劑或因光導致的損傷等問題，使其在無污染、生物相容性好、可靠性需求高的生化領域應用面臨挑戰。

科研團隊采用具有高效光熱與導熱性能的液態金屬顆粒（LMP），與具有獨特鐵電效應的聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物【P(VDF-TrFE)】復合，構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時、原位、高效再生能力。研究發現，在較低光強的近紅外光（NIR，100 mW/cm2）照射下，毫秒級內即可產生表面電荷密度達252 pC/mm2，且PICS表面電荷高效再生能力在較高環境濕度（~90%）與溫度（~70 ℃）等極端環境下幾乎不受影響，其電荷高效再生性能在持續10000次光照循環后仍維持穩定?；赑ICS獨特的光與電雙重優勢，研究實現了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（向前、向后、旋轉）、集體定向運動，且光控液滴高速運動在較高環境濕度、逾100次循環后仍可維持穩定，并可拓展到如高濃度氯化鈉（1 M）等復雜溶液；研究采用麥克斯韋應力張量模型分析驗證了光控液滴運動機制；在此基礎上，研究實現了光操控液滴在液滴機器人領域應用：光操控液滴在PICS共形貼合的管內搬運物體、穿梭小隧道、清除粉末、避障運動，以及光操控液滴運動同時通過液滴肉眼可見的顏色變化實時感知環境磁場變化；研究拓展了液滴機器人在細胞輸運、生化檢測等生物領域應用。

圖1 大面積制備具有優異力學特性的PICS及其光誘導電荷實時再生性能

圖2 PICS上采用手持激光筆操控液滴機器人

PICS融合了光與電的雙重優勢——通過光誘導表面實時、高效與穩定電荷再生，實現液滴靈活、高速、長距離及按需操控，拓展了光控液滴在液滴機器人領域應用；其操控條件溫和且生物相容性好，促進了光操控液滴在細胞輸運、生化檢測等領域應用。這類新型的光誘導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，有望促進智能界面材料、微流體及其在生物與化學等領域應用的發展。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、廣東省區域聯合基金重點項目、深圳市學科布局等的支持，并獲得蘇州大學與香港城市大學的科研人員的幫助。

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

審核編輯 ：李倩