香港科大唐本忠院士团队：对准才能接好，AIE引导复合水凝胶精准自修复

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香港科技大学唐本忠院士团队设计了一种复合水凝胶，体系中引入AIE染料产生的不同荧光颜色的引导作用，实现了折断水凝胶的精准对接，提高了自修复能力。

自修复是大自然赋予生命体的一种重要功能，可以修复损伤，延长生命系统的寿命。人体在受伤后一般会自我修复，甚至当腿或胳膊因严重事故折断时，如果将两个折断的部分按照原始状态完整对接，肢体仍有可能自愈；如果两个折断的部分错位对接，它们的自修复效率降低或者根本无法愈合（图1a）。这种选择性的自修复现象是由生命体复杂的内部结构导致的：每个组成部分都有专一性的识别作用，与其他组成部分很难识别。因此，如何将折断部分精准对接，从而提高自修复效率，是自修复领域里的一个重要难题。

 图1 (a) 机体选择性自愈合的示意图。（b）复合水凝胶Gel-C的制备过程示意图。(c) Gel-C的选择性自愈合过程示意图

香港科技大学唐本忠院士团队设计了一种复合聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）水凝胶（图1b），体系中引入AIE染料产生的不同荧光颜色作为引导，实现了折断水凝胶的精准对接，提高了自修复能力，并研究了不同对接角度下的自修复效率（图1c）。

图2 水凝胶(a) Gel-Y，(b) Gel-G，(c) Gel-O和(d) Gel-M的网络结构示意图. (e) 复合水凝胶Gel-C的示意图和其不同角度的实物荧光照片（l_ex = 365 nm）

此复合AIE水凝胶由三种具有不同自愈合机理的水凝胶构筑而成，其中，Gel-Y是基于酰腙动态共价键的聚乙二醇（PEG）水凝胶（图2a）；Gel-G是基于静电-偶极相互作用的纳米复合水凝胶 (图2b）；Gel-O是基于氢键作用的聚乙烯醇（PVA）水凝胶 (图2c）。三种AIE染料通过物理分散或静电吸附的方式被分别引入三种水凝胶基体中，使凝胶呈现黄、绿、橙三种不同发光，进而，作者通过经典的双层水凝胶制备技术，将三种自愈合水凝胶集成于基体水凝胶Gel-M中（图2d），得到复合成一体的水凝胶Gel-C（图2e），模拟结构复杂的肢体。三种水凝胶均具有自修复能力，但它们是基于不同类型的作用力进行修复，因此，每种水凝胶与另外两种水凝胶对接后修复效率都会降低。另外，由于不同AIE染料的引入，内部的每一组分显示不同的荧光颜色。

图3 复合水凝胶Gel-C的不同旋转角度选择性自修复实验示意图，以及实验的荧光实物图（l_ex = 365 nm）。旋转角度：(a) 0°，(b) 60°，(c) 120°，(d) 180°，(e) 240°，(f) 300°，(g) 360°

一般材料受损后成为两段，因为很难明显区分出其内部不同的结构，将两段精准对接是非常困难的，自修复的效率也会很受影响。但是，当此复合水凝胶Gel-C受损成两段后，由于各个组成部分显示不同的AIE荧光颜色，区分明显，从而使精准对接变得容易，避免了错位对接。

进一步研究发现，当受损两段的对接角度分别为0°、60°、120°、180°、240°、300°和360°时（图3），其显示不同的自修复效果。这些样品中，0°和360°样品因完整对接显示出最好的修复效果；而其余几个角度错位对接的样品，因其内部每个组分与其他组分发生对接，修复效果有不同程度的降低，甚至无法修复。

综上所述，复合水凝胶折断后，在AIE染料荧光引导下可实现精准对接，从而提高自修复效率。AIE水凝胶内部不同的水凝胶组分可模拟生命体中不同的结构，对外科手术中的精准修复具有重要应用前景。

该工作以 research article 的形式发表在 CCS Chemistry上，已在官网“Just Published”栏目上线，论文第一作者是吉晓帆博士（现在华中科技大学工作），共同第一作者是黎朝博士（现在北京理工大学工作）。

相关链接

https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000302

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