哈佛大學《自然》子刊：聚丙稀酸水凝膠中的非平衡信號集成

在生命系統中，化學信號轉導是從在化學趨向波領域中導航的自組織變形蟲到適應離子爆發和尖峰的心跳，到隨著代謝狀態變化而重新配置的膜和遺傳物質。執行複雜化學信號處理的材料無處不在。這種非平衡集成是由將每種進入的刺激轉化為長壽命的活性化學或機械反應的材料驅動的，通常使刺激的持續時間更長，從而使其能夠與下一個刺激耦合。簡單的水凝膠也固有地具有這些相同的機理元素。這樣，水凝膠可能會充當複雜的化學信號積分器，進而展現出廣泛的先前未曾探索過的瞬態現象和傳感行為。

【科研摘要】

先前，通過從生物信號動力學中汲取靈感，哈佛大學Peter A. Korevaar攜手C. Nadir Kaplan和Joanna Aizenberg教授團隊展示了簡單的水凝膠如何具有非平衡化學信號處理和集成之前未開發的能力。使用常見的聚丙烯酸水凝膠，以二價陽離子和酸為代表刺激，證明了非單調滲透驅動的尖峰和膨脹/收縮波以及行進的彩色波的出現。這些不同的響應來自到達刺激的速率和順序的不同組合。開發的非平衡連續體理論定量地捕獲了非單調滲透驅動的形變波，並根據輸入參數確定了它們出現的起點。這些研究表明，已經內置到眾多系統中的簡單水凝膠具有比當前使用的大得多的感測空間。相關成果以題為Non-equilibrium signal integration in hydrogels在1月《Nature Communications》頂刊上發表。

【圖文解析】

作者通過廣泛使用的水凝膠，聚丙烯酸（PAA）探索這一概念。該系統由一層薄薄的水凝膠組成，其中包含一系列嵌入式微孔板，可以實時觀察微尺度凝膠的變形。混合水凝膠-微孔板配置以使適應性材料成為可能，它們可以捕獲和釋放生物分子，打開和關閉化學反應，或控制潤溼性，穩態和流動性。在中性或鹼性條件下，PAA凝膠的羧基（COOH）以去質子化形式（COO-）存在，凝膠膨脹，並且嵌入式微孔板直立放置。與傳統將PAA凝膠用作直接pH傳感器的傳統方法一樣，暴露於酸會使COO-基團質子化，從而導致凝膠幾乎立即收縮以及相關的微孔板傾斜（圖1a，黃色）。添加鹼會迅速使凝膠去質子化並恢復原始狀態。為了檢驗假設，將二價銅離子（Cu2+）作為第一刺激物，它與COO-相互作用並使凝膠收縮。Cu2+和COO-形成了一種動力學穩定的螯合物，據報導，在沒有外部Cu2+的情況下，Cu2+可以在幾個月內保持局部凝膠變形和藍色（圖1b，藍色）。COO--Cu2+ -COO-絡合物為兩個刺激之間的複雜動力學相互作用提供了一種互補的讀出機制。當酸（H+）作為第二種刺激傳遞到先前暴露於Cu2+的系統時，H+競爭COO-基團（圖1b，灰色框）並置換Cu2+，將其釋放到凝膠的液相中，然後釋放到凝膠中。最初是無銅上清液。Cu2+的分解將取決於酸傳遞的時間尺度τH+。相對於Cu2+擴散和水凝膠變形的時間尺度改變τH+會導致出現各種競爭性的非平衡動力學（圖1，展開的灰色方框）。

將Cu2+刺激物傳遞至水凝膠微孔板系統

該水凝膠系統包括嵌入PAA水凝膠中的一系列表面附著的，略微傾斜的環氧微孔板（圖 2a）。在加入水硫酸銅溶液（0.8M的硫酸銅的4）中，水凝膠變成藍色，這表明形成COO--Cu2+-COO-在水凝膠（圖絡合物。2b，c）。同時，水凝膠收縮，並且嵌入的微孔板向基底傾斜。可以使用直接安裝在基板頂部的細銅電極絲對Cu2+的輸送進行定位和定向，並覆蓋一層薄薄的高氯酸鈉電解質溶液（NaClO4，0.05 M）在圖2d。當電壓施加1 V（電流0.1 mA）時，隨著水凝膠的相應區域收縮並變藍，正極附近的微孔板開始傾斜。該區域隨時間的變化以傾斜角度和顏色強度的梯度向外擴展，這與Cu2+離子從電極通過電解質擴散並結合到水凝膠上相一致（圖2e）。微孔板在一個方向上的輕微初始預傾斜會導致在Cu2+絡合時均勻的傾斜方向。正如注意到的，凝膠收縮程度的變化取決於電化學Cu2+的輸送方向，因此進行了所有實驗，使預傾斜的平板朝向Cu2+離子源，如圖2d所示。通過用水衝洗基板將Cu2+從外部溶液中去除後，可以保持傾斜狀態和藍色。在Cu2+收縮區域的邊緣僅發生Cu2+的緩慢釋放（圖2f）。

圖2. Cu2+刺激物的遞送和儲存。

對Cu2+快速釋放具有選擇性的滲透性脈衝和波

動力學穩定的絡合物創造了一種獨特的條件，其中Cu2+存在於凝膠內部，而外部環境則不存在。因此，在羧酸鹽質子化時，Cu2+的快速解離必須在凝膠內產生瞬時滲透壓（圖 3a）。作為對該結垢預測的初步測試，將濃酸溶液（1M HCl）添加到含有絡合Cu2+的水凝膠微板基板中。交付「快速到達」的酸刺激後，立即觀察到Cu2+的快速解離，如τH+≈2 s內藍色的消失所指示（圖3b，d）。

圖3. Cu2+離子通過酸刺激快速釋放後會產生一個瞬時的滲透溶脹脈衝。

由於Cu2+迅速解離而引起的瞬時滲透壓也可以採用行進的溶脹波的形式，該溶脹波對酸前沿在整個基材上的擴散速率和方向敏感。如圖4a所示，可以通過在玻璃蓋的一個邊緣下輸送一滴酸來啟動具有可控級數的酸刺激。酸前沿的Cu2+分解通過從左到右的藍色至無色過渡（圖4b，c）表示，並且發生在L≈100 µm的長度範圍內。

圖4. 對酸進展速度敏感的行進膨脹波。

傳播的色波報告了酸前沿緩慢

酸從水凝膠中釋放到另外不含Cu2+的介質中的銅離子不僅可以在凝膠中產生短期滲透壓，而且隨著釋放的Cu2+離子隨著移動的酸鋒擴散而引起局部複合化。為了驗證該想法，作者將電化學方式將Cu2+輸送到了凝膠/微孔板系統的一半上，以便將Cu2+存儲在一側，而另一側則保持無銅狀態（分別在圖5a中顯示為藍色和白色）。酸然後流過，使得前沿平行地在兩個半部上前進（圖5a，黃色）。這種配置潛在地允許一些釋放的Cu2+擴散到無銅一側並在無銅一側複合。在不同的前進速度下的實驗結果確實表明了該機制產生獨特的慢速敏感反應的能力：緩慢的酸前進速度（vC = 1 µm s-1）產生藍色的波，隨酸行進穿過最初無銅的一面（圖5b，d和f），其特徵在於酸的擴散過程比Cu2+擴散慢。

圖5. 行進的色波有選擇地報告緩慢進行的酸刺激。

【陳述總結】

總之，此處介紹的框架顯示了無需特殊修改即可使用水凝膠來執行以前使用無電子系統實現的複雜化學傳感任務。展示的示例性響應可能只代表可能出現的動態現象的一小部分。基於簡單，可逆的化學反應以及瑣碎的水凝膠組成和幾何形狀，作者的縮放分析和理論模型闡明了能夠區分速率，時間，序列和配置的多種可能組合和排列的多重輸出。這些概念可能適用於本研究中使用的離子，酸和PAA凝膠以外的各種水凝膠，刺激和非平衡分子系統。非平衡概念和理論可以進一步應用於微孔板以外的讀出機制用於本研究中，例如通過分散在凝膠中的微粒或通過凝膠對光束的聚焦和散焦。此外，速率選擇性複合波的概念（以系統中的藍色波為例）可以通過選擇可能與螢光或其他指示劑組合的複合劑對（例如Ca2+和H+）進行選擇來擴展。特別是，這項研究中揭示的非平衡機制可能使微米級合成的軟致動器成為可能，類似於基於Ca2+的生化反應-轉運途徑為某些單細胞生物（如D.discoideum和弧菌纖毛蟲）。除了報告凝膠的動力學以外，凝膠中嵌入的微結構本身還可以將反饋引入到絡合-傳輸-變形耦合中，從而有可能開啟非平衡傳感的另一個領域。進一步發展這些能力可能為使用簡單的軟材料將複雜的化學傳感和轉導集成到諸如軟機器人，催化材料以及農業和生物醫學診斷等領域帶來新的可能性。

【通訊簡介】

Peter Korevaar (1986) 出生於荷蘭格拉夫斯特魯姆。他在荷蘭埃因霍溫科技大學學習化學工程和化學，並獲得了理學碩士學位。他於2010年以優異的成績獲得學位。此後，他在E.W. Meijer.教授研究小組中開始了博士項目。他研究分子自組裝過程中的聚集途徑。2014年，他以優異的成績在埃因霍溫科技大學獲得博士學位。自2014年6月以來，Peter活躍Aizenberg集團，致力於開發自激系統，在受限空間中進行自組裝以及在自適應微系統中實現新的驅動概念。

參考文獻：

doi.org/10.1038/s41467-019-14114-0

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