多功能荧光水凝胶-香豆素骨架 | 用于高效抗菌应用和数据加密-解密

荧光材料 有机材料技术 荧光材料技术
尹教授    2021-01-05    110

研究进展:近年来,水凝胶作为一类极具吸引力的智能软材料,已广泛应用于电子材料、可穿戴设备、伤口敷料等各个先进领域。光诱导智能水凝胶由于其成本低、无引发剂光固化体系不渗出等优点,在光致变色、光致发光、传感器检测、形状记忆材料等领域受到广泛关注。叶绿素是一种能够吸收适当波长的光并分解自由基的化合物,它在没有引发剂的情况下启动光聚合过程是必不可少的。在自然界中,香豆素是植物代谢产物的一部分,也可以从甜三叶草和薰豆等植物中分离得到,香豆素衍生物具备抗癌、抗菌、抗hiv29生物活性。此外,香豆素结构中还含有一个π-π共轭体系,可以通过范德华力、π-π电子相互作用、氢键作用、疏水作用、金属配位等非共价作用方式作用于生物体的各种活性位点,提高材料的力学性能和自愈合能力。然而,如何将信息加密传输能力、抗菌活性、高机械性能、粘附性、自愈性等综合到一种材料中,通过简单的方法实现协同特性,仍然是一个重要的挑战。

解决方案:作者基于香豆素骨架合成了一个新型化合物Pho-CA,开发了一种在紫外线照射下无引发剂光聚合方法启动单体形成水凝胶的方法。受植物生长的启发,采用无引发剂光交联的方法,在30分钟辐射下,以Pho-CA 和丙烯酰胺为基础,开发了一种多功能水凝胶体系。所研制的Gel-C-Am水凝胶具有良好的力学性能、粘附性和自愈性。新型水凝胶的伸长率约为1600%,经过高强度的扭转或拉伸后可以恢复到初始状态。在粘附性方面,Gel-C-Am水凝胶对玻璃、纸张、叶子和橡胶等不同基材的表面均表现出良好的粘附性。此外,所研制的水凝胶的粘附性是可逆的,且受水的控制。由于由丙烯酰胺分子产生的氢键作用,Gel-C-Am水凝胶在潮湿条件下也表现出一定的自愈能力。同时,香豆素骨架可以提供水凝胶对大肠杆菌的有效抗菌能力,使抗菌水凝胶涂层的应用成为可能。

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1. a)光引发聚合方法和(b)制备的Gel-C-Am水凝胶网络的示意图

基于前驱体溶液经紫外光照射后可形成水凝胶,然后荧光恢复的特点,作者先将单体溶液加入到孔板中,在特定孔中加入Pho-CA溶液,标记为“SCU”。在UV照射前,所有前驱体溶液中都没有荧光,无法判断准确的加密内容;而照射30min后荧光在选定区域恢复,可将加密的内容解读为“SCU”(图2)。证明Gel-C-Am水凝胶具有用于数据加密和解密的潜力。更重要的是,所得到的Gel-C-Am水凝胶对大肠杆菌具有有效的抗菌活性,可以用于制备抗菌聚合物涂层。

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2. A)紫外线照射前Gel-C-Am水凝胶的照片和(B365 nm照射30分钟后的照片;(C)加密和解密应用Gel-C-Am水凝胶示意图。

总结:作者采用无引发剂光交联的方法开发了一种多功能水凝胶体系。以光诱导策略拓宽了合成荧光水凝胶在加密和解密领域的应用。且Gel-C-Am水凝胶对大肠杆菌具有有效的抗菌活性,可以用于抗菌聚合物涂层。预计基于香豆素的水凝胶平台策略将为设计新型多功能智能手机开辟一条道路。

参考文献: Kang-Kang Yu, Xi Wei, Xiao-Qi Yu, et al. Plant-Inspired Multifunctional Fluorescent Hydrogel: A Highly Stretchable and Recoverable Self-Healing Platform with Water-Controlled Adhesiveness for Highly Effective Antibacterial Application and Data Encryption−Decryption.ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. DOI: org/10.1021/acsami.0c15364


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