螢火蟲啟發(fā)的3D可打印多刺激響應熒光水凝膠及其自適應發(fā)光特性

來源：EFL生物3D打印與生物制造

自然界中螢火蟲、水母等生物發(fā)光體具有濕潤、柔軟、靈活及多刺激響應的發(fā)光能力，可實現(xiàn)與環(huán)境的交互適應。然而，開發(fā)模仿這些特性的人工發(fā)光材料仍面臨挑戰(zhàn)：現(xiàn)有熒光水凝膠大多僅能對單一刺激（如特定溶劑、離子、溫度等）產生獨立響應，缺乏動態(tài)協(xié)同效應，且熒光亮度和響應速率提升受限，同時其結構多局限于簡單二維形狀，難以構建復雜三維仿生結構。   

來自美國加州大學圣地亞哥分校的Jinhye Bae教授團隊，受螢火蟲發(fā)光機制（氧氣和溫度調控熒光強度）啟發(fā)，設計了一種基于三維打印技術的多刺激響應熒光水凝膠。團隊通過將聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）基質、納米粘土（NC）與含四苯基乙烯（TPE）的分子添加劑（p(NIPAM-co-AM)-UPy）結合，構建了可響應水和溫度的熒光體系：水作為親水性溶劑可觸發(fā)TPE聚集并激活熒光，溫度升高通過PNIPAM基質收縮增強TPE聚集程度以提升熒光強度。此外，借助NC的流變調控作用，該水凝膠前驅體可通過3D打印形成復雜三維結構（如仿生發(fā)光生物模型），并實現(xiàn)動態(tài)信息加密-解密顯示。   

相關工作以“Firefly-Inspired 3D Printable Multi-Stimuli-Responsive Fluorescent Hydrogels with Adaptive Luminescence”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

研究內容
1. 螢火蟲發(fā)光機制與仿生水凝膠設計示意圖，通過仿生學設計與流程示意圖的方法，研究了螢火蟲發(fā)光原理（氧氣、溫度調控熒光）與熒光水凝膠的響應機制。結果表明，水作為親水性溶劑可觸發(fā)p(NIPAM-co-AM)-UPy分子添加劑聚集，誘導TPE顆粒熒光激活；溫度升高（>32℃）通過PNIPAM基質收縮進一步增強TPE聚集，使熒光強度提升60%，模擬螢火蟲溫度依賴的發(fā)光增強行為。      

圖1. 螢火蟲發(fā)光機制與仿生熒光水凝膠設計示意圖。   

2. 水凝膠溶劑響應性與熒光可逆調控研究，通過紫外-可見光譜、熒光光譜及動態(tài)光散射（DLS）的方法，研究了水-DMSO混合溶劑中TPE顆粒的聚集-分散行為。結果表明，當水體積分數(shù)（fw）≥20%時，TPE聚集并激活熒光，且fw=100%時熒光最強；DMSO處理可使TPE分散并熄滅熒光，經5次循環(huán)后含UPy和p(NIPAM-co-AM)的PPU-TPE水凝膠熒光強度保持率達90%，顯示優(yōu)異可逆性。      

圖2. 水凝膠溶劑響應性與熒光可逆調控分析。   

3. 溫度響應性與熒光增強機制研究，通過熒光光譜、體積膨脹率測試及掃描電子顯微鏡（SEM）的方法，研究了溫度對PNIPAM基質構象和TPE聚集的影響。結果表明，溫度升至40-70℃時，PNIPAM鏈從舒展轉為收縮，導致TPE聚集密度增加，熒光強度隨溫度升高呈線性增強（70℃時提升60%），且基質體積收縮率僅11%，證實納米尺度聚集是熒光增強的主因。      

圖3. 水凝膠溫度響應性與熒光增強機制分析。   

4. 水凝膠前驅體流變性能與3D打印能力評估，通過流變儀測試、3D打印實驗及結構表征的方法，研究了含納米粘土（NC）的水凝膠前驅體的可打印性。結果表明，前驅體具有剪切變稀特性（高剪切速率下黏度≈10 Pa·s）和黏彈性固體行為（儲能模量>損耗模量），可通過擠出成型打印復雜結構（如螢火蟲、 anglerfish模型），打印后結構保真度達95%，展現(xiàn)優(yōu)異成型能力。      

圖4. 水凝膠前驅體流變性能與3D打印結構展示。   

5. 動態(tài)信息加密-解密顯示性能研究，通過多噴嘴3D打印、熒光圖案設計及多刺激處理的方法，研究了不同TPE含量水凝膠的熒光響應差異。結果表明，低TPE含量（0.25%）水凝膠在70℃ DMSO中4分鐘內熒光完全熄滅，高TPE含量（1.0%）需7分鐘，利用這一差異可構建動態(tài)加密系統(tǒng)，通過溶劑和溫度調控實現(xiàn)數(shù)字“9”→“4”→“1”的漸進式加密及水觸發(fā)解密，響應時間較傳統(tǒng)水凝膠提升5-15倍。      

圖5. 熒光水凝膠動態(tài)信息加密-解密顯示示意圖。   

6. 生物相容性與仿生應用研究，通過細胞活性檢測（CCK-8）、活/死染色及組織學分析的方法，研究了PPU-TPE水凝膠對雪旺細胞的毒性及體內生物相容性。結果表明，含1 wt% TPE的水凝膠組細胞存活率達92%，植入大鼠體內4周后無炎癥反應，心肝腎等器官未見毒性；結合3D打印構建的仿生發(fā)光生物模型（如深海發(fā)光魚類）在紫外光下展現(xiàn)逼真熒光效果，驗證其生物醫(yī)學和仿生領域應用潛力。      

圖6. 熒光水凝膠生物相容性評估與仿生模型展示。

研究結論
本研究設計了仿螢火蟲發(fā)光行為的多形狀熒光水凝膠，其熒光可通過水和溫度進行多刺激響應和可逆調控。具體而言，p(NIPAM-co-AM)-UPy添加劑增強了熒光強度，并提升了對周圍溶劑的可逆重復響應能力，且不會降低熒光強度。此外，水凝膠基質的溫度響應性收縮或膨脹能夠按需控制熒光強度的增強或減弱，成功實現(xiàn)了所開發(fā)水凝膠中熒光的可逆激活-失活和增強-減弱行為。   水凝膠前驅體良好的可擠出性使其能夠通過3D打印制造各種形狀的熒光水凝膠。除了人工熒光生物模型外，本研究還展示了按需動態(tài)信息加密-解密顯示。由于每個顯示組件的熒光強度和開關速率可調，因此可以按需顯示或刪除信息。盡管本研究中使用TPE作為在紫外光下產生熒光的熒光團，但其他在不同光波長范圍內具有激發(fā)特性并對各種刺激（如pH、機械力等）響應的熒光團，可進一步擴展熒光水凝膠的潛在應用。這種合理的設計策略和高性能熒光水凝膠的自由形式制造，將有助于推動先進熒光水凝膠的發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15111