Nature Communications |光控水凝胶薄膜的实时塑形

该研究以题为“Live-shaping of hydrogel thin films with light”发表在Nature Communications上。

生物纳米前沿

光响应水凝胶是模仿自然界动态微结构的有吸引力材料，为光子学、传感和生物医学中的可调器件提供了平台。然而，这些系统通常存在空间分辨率有限和响应时间慢的问题，限制了其在高速或高精度应用中的实用性。本文介绍了一种光响应水凝胶薄膜平台，能够实现具有亚微米空间分辨率和高达2赫兹驱动频率的快速、可重构表面调制。该系统利用光开关型主客体相互作用，在图案化光照下诱导可逆收缩-膨胀。双波长控制可生成动态迁移表面特征，能够实时运输微物体。该方法进一步扩展到自由站立薄膜，在激光束转向中展示了其功能。此外，表面图案可通过干燥稳定，并通过湿度擦除，为可重写传感器标签提供了一条途径。

文献速览

图1

a 自由支撑膜中各向同性xyz方向膨胀与表面附着膜中各向异性z方向膨胀的比较。b (I) 寡聚物组成：(1) N-异丙基丙烯酰胺，(2) 4-丙烯酰胺苯酮（BP）光交联剂，以及(3) 4-丙烯酰胺偶氮苯（AZO）基团。(II–IV) 通过旋涂、光交联以及随后在水溶液(4) α-环糊精（αCD）中浸渍进行功能化来制备薄膜。c 工作原理：E-AZO:αCD包合物增加网络亲水性，从而驱动膨胀；而Z-AZO解离则降低亲水性。d 可重构光图案化：通过紫外诱导压缩，随后进行空间调制可见光照射，可实现空间可控的包合和膨胀。特征可通过后续光循环擦除和重写。e 通过自由支撑膜上表面浮雕光栅（SRG）的收缩-膨胀展示了光可调衍射结构。

图2

水凝胶薄膜上两种表面浮雕光栅（SRGs）的图案化-擦除循环。该过程包括：（I）紫外诱导压缩（365 nm），（II）可见光图案化（488 nm）形成周期为3 µm的SRG，（III）紫外擦除，以及（IV）随后图案化周期为5 µm的SRG。b 在488 nm干涉图案和365 nm均匀光照下SRG的形成与擦除动力学。沿指示线提取轮廓（强度：200 mW cm-2；曝光时间：0.2 s）。c 用488 nm（100 mW cm-2，2 s）图案化的800 nm周期光栅的原子力显微镜图像和表面轮廓。d 圆柱形表面特征的弛豫，显示地形（顶部）和特征高度随时间的指数拟合衰减（底部）。e 水凝胶薄膜在0.5 Hz（顶部）、1 Hz（中部）和2 Hz（底部）频率下的厚度调制。照射强度：50 mW cm-2（365 nm）和200 mW cm-2（490 nm）。f 通过顺序1D曝光（3 µm周期）并旋转60°进行六边形二维SRG图案化。条件：488 nm，200 mW cm-2，300 ms。所有实验均在100 mg mL-1 αCD水溶液中进行。DHM图像来自银涂层样品；比例尺：10 µm。

图3

a 一维光栅（SRG）的动态重定向，将光栅矢量从垂直旋转90°至水平。照射：365 nm处50 mW cm⁻²；488 nm处400 mW cm⁻²。b 圆柱形突起的横向运动，在45秒内沿水凝胶表面移动440 µm。照射：365 nm处20 mW cm⁻²；488 nm处100 mW cm⁻²。c 通过平移圆柱形突起实现颗粒分离。照射：365 nm处100 mW cm⁻²；488 nm处200 mW cm⁻²。d 在与c相同的照射条件下，使用圆柱形突起运输单个颗粒。在c和d中，平移的颗粒和突起分别以红色和浅蓝色突出显示。a和b中的数据来自银涂层样品；c和d中的数据未进行涂层。所有实验均在100 mg mL⁻¹ αCD溶液中进行。比例尺：10 µm。

图4

a 在固定观察角下，自由站立水凝胶膜在0.25 Hz收缩-膨胀循环过程中动态结构颜色的调节。比例尺：1 mm。b 可编程激光束转向示意图。一片带有预先刻写的光子晶体光栅（SRG）的自由站立薄膜漂浮在α-环糊精溶液中；从上方入射的激光束产生透射衍射图案。c 光束偏转的时空控制。快照显示在一单个0.25 Hz驱动循环过程中一级衍射光束位置的变化。比例尺：5 mm。d 连续光束转向性能。在0.25 Hz循环1分钟内一级衍射斑的角位移。所有实验中365 nm和490 nm激光的照射强度均为100 mW cm⁻²。

参考信息

Pub Date : 2026-04-04,

DOI: 10.1038/s41467-026-71438-4

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