刺激回應水凝膠作為典型的智慧材料可以隨外界環境變化而改變自身的物理化學性質， 因其在生物醫用領域， 如生物感測器， 驅動器， 可控藥物釋放 ， 組織支架等的廣泛應用， 近來備受關注。 但是傳統的回應水凝膠一般只對單一刺激回應， 且力學性能差， 這兩者都極大限制了回應水凝膠的實際應用。 因此， 高強度多回應的水凝膠的開發和研究更具意義和挑戰性。
與其他的力致回應的的物質不同的是， 螺吡喃（SP）是一種可對力， 熱， 光等多刺激回應的力致回應劑。 在外界刺激下， 可由閉合的螺吡喃環（Spiropyran-SP）狀態轉換成開口的部花青素（merocyanine-MC）狀態，
最近， 美國阿克隆大學的Prof.Jie Zheng和河南理工大學的陳強副教授通過巧妙的設計， 利用膠束共聚的方法有效地將疏水的螺吡喃交聯劑與親水的水凝膠網路有機的結合在一起， 形成了具有力致多回應和迴圈恢復且高力學強度的螺吡喃水凝膠。 該成果以“A Novel Design of Multi-Mechanoresponsive and Mechanically StrongHydrogels”為題於近期線上發表在Advanced Materials 雜誌上，
圖文導讀
圖1. 力致回應水凝膠的製備示意圖
Tween80的膠束為疏水單體丙烯酸甲酯（MA）以及溶解在MA中的交聯劑螺吡喃SP和油溶性引發劑提供了疏水環境， 並與親水單體丙烯醯胺（AM）和水形成乳液， 然後通過光引發聚合形成聚合物poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠網路。
圖2. Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠的多刺激可逆回應現象。 可逆的顏色變化：a 熱回應， b 紫外光回應， c 拉伸回應， d壓力回應； e螢光顏色變化， f SEM結構圖， g 原位confocal圖
Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠對外界多刺激都表現出可逆的明顯的顏色變化回應。 在外界熱（溫度高於50℃時）， 紫外光照（365nm）和拉伸/壓縮力刺激下都能由淺黃色變成深紫色， 並都能由可見光照射可逆至初始的淺黃色。 除了肉眼可見的顏色變化， 該水凝膠還有類似的螢光顏色變化， 在外界刺激下可由初始的綠色螢光變成紅色螢光。 SEM和confocal結構圖證明的了水凝膠的微球網路結構且具有顏色回應的螺吡喃主要存在于疏水的微球裡。
圖3. Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠的力學性能。 a 拉伸測試， b 斷裂能測試， c 滯後
在Poly(AM-co-MA/SP)水凝膠中，
螺吡喃以共價的方式被引入在水凝膠網路中。
在外力作用下，
力通過聚合物網路轉移到螺吡喃上，
引起SP的化學鍵斷裂而開環形成MC（SP到MC的轉換），
化學鍵的斷裂成為該凝膠能量耗散的主要途徑，
因而有效的增強增韌了水凝膠。
另外，螺吡喃作為交聯劑的濃度越高，增強增韌的效果反而越明顯。
圖4. 白光引起的Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠迴圈多次恢復：a 顏色恢復，b 滯後回線
利用螺吡喃SP-MC的可逆變化，可以實現水凝膠顏色和力學性能的多次迴圈恢復。如果不光照，無論是水凝膠顏色還是力學性能都不能直接恢復，但是通過30min白光照射，水凝膠的顏色可以完全恢復至初始的淺黃色，力學性能方面的剛度和韌性都可以恢復至初始的~75%。
圖5. Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠在不同拉伸比下的拉伸狀態和鬆弛狀態下的顏色變化的a
Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠還表現出明顯的應變顏色回應行為。因為Poly(AM-co-MA/SP)水凝膠顏色變化是由SP-MC轉化引起的，在大的拉伸形變下，更多的螺吡喃實現了SP-MC的轉化，因而造成水凝膠更深的顏色變化。當拉伸形變由0增至50%時，水凝膠的顏色基本變化不大。但當應變大於100%後，在100%到400%時，水凝膠的顏色逐漸從淺黃色變成深紫色，顏色變化趨勢幾乎與拉伸比呈線性關係。在拉伸狀態和鬆弛狀態下水凝膠的不同顏色和不同顏色變化趨勢則是由於MC的同位異構體造成的。
結論
通過巧妙的設計，成功地將螺吡喃交聯劑通過共價的方式引入到聚合物網路中製成了多回應高強度水凝膠。利用SP-MC的可逆變換，該水凝膠可實現對外界多重刺激（熱、光和力）的可逆顏色變化回應，利用SP-MC轉化時的共價鍵的斷裂實現了有效的能量耗散，增強增韌了水凝膠的機械性能。此外，利用MC-SP的光致可逆變化實現水凝膠顏色和力學性能的多迴圈恢復，該水凝膠顏色變化還與拉伸形變呈近似線性關係。該水凝膠的多刺激可逆顏色回應可被廣泛用於生物感測器和生物成像等領域。
@高分子科學前沿
投稿 薦稿 合作：editor@polysci.c
另外，螺吡喃作為交聯劑的濃度越高，增強增韌的效果反而越明顯。
圖4. 白光引起的Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠迴圈多次恢復：a 顏色恢復，b 滯後回線
利用螺吡喃SP-MC的可逆變化，可以實現水凝膠顏色和力學性能的多次迴圈恢復。如果不光照，無論是水凝膠顏色還是力學性能都不能直接恢復，但是通過30min白光照射，水凝膠的顏色可以完全恢復至初始的淺黃色，力學性能方面的剛度和韌性都可以恢復至初始的~75%。
圖5. Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠在不同拉伸比下的拉伸狀態和鬆弛狀態下的顏色變化的a
Poly(AM-co-MA/SP) 水凝膠還表現出明顯的應變顏色回應行為。因為Poly(AM-co-MA/SP)水凝膠顏色變化是由SP-MC轉化引起的，在大的拉伸形變下，更多的螺吡喃實現了SP-MC的轉化，因而造成水凝膠更深的顏色變化。當拉伸形變由0增至50%時，水凝膠的顏色基本變化不大。但當應變大於100%後，在100%到400%時，水凝膠的顏色逐漸從淺黃色變成深紫色，顏色變化趨勢幾乎與拉伸比呈線性關係。在拉伸狀態和鬆弛狀態下水凝膠的不同顏色和不同顏色變化趨勢則是由於MC的同位異構體造成的。
結論
通過巧妙的設計，成功地將螺吡喃交聯劑通過共價的方式引入到聚合物網路中製成了多回應高強度水凝膠。利用SP-MC的可逆變換，該水凝膠可實現對外界多重刺激（熱、光和力）的可逆顏色變化回應，利用SP-MC轉化時的共價鍵的斷裂實現了有效的能量耗散，增強增韌了水凝膠的機械性能。此外，利用MC-SP的光致可逆變化實現水凝膠顏色和力學性能的多迴圈恢復，該水凝膠顏色變化還與拉伸形變呈近似線性關係。該水凝膠的多刺激可逆顏色回應可被廣泛用於生物感測器和生物成像等領域。
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