在生命系统中，化学信号转导是从在化学趋向波领域中导航的自组织变形虫到适应离子爆发和尖峰的心跳，到随着代谢状态变化而重新配置的膜和遗传物质。执行复杂化学信号处理的材料无处不在。这种非平衡集成是由将每种进入的刺激转化为长寿命的活性化学或机械反应的材料驱动的，通常使刺激的持续时间更长，从而使其能够与下一个刺激耦合。简单的水凝胶也固有地具有这些相同的机理元素。这样，水凝胶可能会充当复杂的化学信号积分器，进而展现出广泛的先前未曾探索过的瞬态现象和传感行为。
【科研摘要】
先前，通过从生物信号动力学中汲取灵感，哈佛大学Peter A. Korevaar携手C. Nadir Kaplan和Joanna Aizenberg教授团队展示了简单的水凝胶如何具有非平衡化学信号处理和集成之前未开发的能力。使用常见的聚丙烯酸水凝胶，以二价阳离子和酸为代表刺激，证明了非单调渗透驱动的尖峰和膨胀/收缩波以及行进的彩色波的出现。这些不同的响应来自到达刺激的速率和顺序的不同组合。开发的非平衡连续体理论定量地捕获了非单调渗透驱动的形变波，并根据输入参数确定了它们出现的起点。这些研究表明，已经内置到众多系统中的简单水凝胶具有比当前使用的大得多的感测空间。相关成果以题为Non-equilibrium signal integration in hydrogels在1月《Nature Communications》顶刊上发表。
【图文解析】
作者通过广泛使用的水凝胶，聚丙烯酸（PAA）探索这一概念。该系统由一层薄薄的水凝胶组成，其中包含一系列嵌入式微孔板，可以实时观察微尺度凝胶的变形。混合水凝胶-微孔板配置以使适应性材料成为可能，它们可以捕获和释放生物分子，打开和关闭化学反应，或控制润湿性，稳态和流动性。在中性或碱性条件下，PAA凝胶的羧基（COOH）以去质子化形式（COO-）存在，凝胶膨胀，并且嵌入式微孔板直立放置。与传统将PAA凝胶用作直接pH传感器的传统方法一样，暴露于酸会使COO-基团质子化，从而导致凝胶几乎立即收缩以及相关的微孔板倾斜（图1a，黄色）。添加碱会迅速使凝胶去质子化并恢复原始状态。为了检验假设，将二价铜离子（Cu2+）作为第一刺激物，它与COO-相互作用并使凝胶收缩。Cu2+和COO-形成了一种动力学稳定的螯合物，据报道，在没有外部Cu2+的情况下，Cu2+可以在几个月内保持局部凝胶变形和蓝色（图1b，蓝色）。COO--Cu2+ -COO-络合物为两个刺激之间的复杂动力学相互作用提供了一种互补的读出机制。当酸（H+）作为第二种刺激传递到先前暴露于Cu2+的系统时，H+竞争COO-基团（图1b，灰色框）并置换Cu2+，将其释放到凝胶的液相中，然后释放到凝胶中。最初是无铜上清液。Cu2+的分解将取决于酸传递的时间尺度τH+。相对于Cu2+扩散和水凝胶变形的时间尺度改变τH+会导致出现各种竞争性的非平衡动力学（图1，展开的灰色方框）。
将Cu2+刺激物传递至水凝胶微孔板系统
该水凝胶系统包括嵌入PAA水凝胶中的一系列表面附着的，略微倾斜的环氧微孔板（图 2a）。在加入水硫酸铜溶液（0.8M的硫酸铜的4）中，水凝胶变成蓝色，这表明形成COO--Cu2+-COO-在水凝胶（图络合物。2b，c）。同时，水凝胶收缩，并且嵌入的微孔板向基底倾斜。可以使用直接安装在基板顶部的细铜电极丝对Cu2+的输送进行定位和定向，并覆盖一层薄薄的高氯酸钠电解质溶液（NaClO4，0.05 M）在图2d。当电压施加1 V（电流0.1 mA）时，随着水凝胶的相应区域收缩并变蓝，正极附近的微孔板开始倾斜。该区域随时间的变化以倾斜角度和颜色强度的梯度向外扩展，这与Cu2+离子从电极通过电解质扩散并结合到水凝胶上相一致（图2e）。微孔板在一个方向上的轻微初始预倾斜会导致在Cu2+络合时均匀的倾斜方向。正如注意到的，凝胶收缩程度的变化取决于电化学Cu2+的输送方向，因此进行了所有实验，使预倾斜的平板朝向Cu2+离子源，如图2d所示。通过用水冲洗基板将Cu2+从外部溶液中去除后，可以保持倾斜状态和蓝色。在Cu2+收缩区域的边缘仅发生Cu2+的缓慢释放（图2f）。
图2. Cu2+刺激物的递送和储存。
对Cu2+快速释放具有选择性的渗透性脉冲和波
动力学稳定的络合物创造了一种独特的条件，其中Cu2+存在于凝胶内部，而外部环境则不存在。因此，在羧酸盐质子化时，Cu2+的快速解离必须在凝胶内产生瞬时渗透压（图 3a）。作为对该结垢预测的初步测试，将浓酸溶液（1M HCl）添加到含有络合Cu2+的水凝胶微板基板中。交付“快速到达”的酸刺激后，立即观察到Cu2+的快速解离，如τH+≈2 s内蓝色的消失所指示（图3b，d）。
图3. Cu2+离子通过酸刺激快速释放后会产生一个瞬时的渗透溶胀脉冲。
由于Cu2+迅速解离而引起的瞬时渗透压也可以采用行进的溶胀波的形式，该溶胀波对酸前沿在整个基材上的扩散速率和方向敏感。如图4a所示，可以通过在玻璃盖的一个边缘下输送一滴酸来启动具有可控级数的酸刺激。酸前沿的Cu2+分解通过从左到右的蓝色至无色过渡（图4b，c）表示，并且发生在L≈100 µm的长度范围内。
图4. 对酸进展速度敏感的行进膨胀波。
传播的色波报告了酸前沿缓慢
酸从水凝胶中释放到另外不含Cu2+的介质中的铜离子不仅可以在凝胶中产生短期渗透压，而且随着释放的Cu2+离子随着移动的酸锋扩散而引起局部复合化。为了验证该想法，作者将电化学方式将Cu2+输送到了凝胶/微孔板系统的一半上，以便将Cu2+存储在一侧，而另一侧则保持无铜状态（分别在图5a中显示为蓝色和白色）。酸然后流过，使得前沿平行地在两个半部上前进（图5a，黄色）。这种配置潜在地允许一些释放的Cu2+扩散到无铜一侧并在无铜一侧复合。在不同的前进速度下的实验结果确实表明了该机制产生独特的慢速敏感反应的能力：缓慢的酸前进速度（vC = 1 µm s-1）产生蓝色的波，随酸行进穿过最初无铜的一面（图5b，d和f），其特征在于酸的扩散过程比Cu2+扩散慢。
图5. 行进的色波有选择地报告缓慢进行的酸刺激。
【陈述总结】
总之，此处介绍的框架显示了无需特殊修改即可使用水凝胶来执行以前使用无电子系统实现的复杂化学传感任务。展示的示例性响应可能只代表可能出现的动态现象的一小部分。基于简单，可逆的化学反应以及琐碎的水凝胶组成和几何形状，作者的缩放分析和理论模型阐明了能够区分速率，时间，序列和配置的多种可能组合和排列的多重输出。这些概念可能适用于本研究中使用的离子，酸和PAA凝胶以外的各种水凝胶，刺激和非平衡分子系统。非平衡概念和理论可以进一步应用于微孔板以外的读出机制用于本研究中，例如通过分散在凝胶中的微粒或通过凝胶对光束的聚焦和散焦。此外，速率选择性复合波的概念（以系统中的蓝色波为例）可以通过选择可能与荧光或其他指示剂组合的复合剂对（例如Ca2+和H+）进行选择来扩展。特别是，这项研究中揭示的非平衡机制可能使微米级合成的软致动器成为可能，类似于基于Ca2+的生化反应-转运途径为某些单细胞生物（如D.discoideum和弧菌纤毛虫）。除了报告凝胶的动力学以外，凝胶中嵌入的微结构本身还可以将反馈引入到络合-传输-变形耦合中，从而有可能开启非平衡传感的另一个领域。进一步发展这些能力可能为使用简单的软材料将复杂的化学传感和转导集成到诸如软机器人，催化材料以及农业和生物医学诊断等领域带来新的可能性。
【通讯简介】
Peter Korevaar (1986) 出生于荷兰格拉夫斯特鲁姆。他在荷兰埃因霍温科技大学学习化学工程和化学，并获得了理学硕士学位。他于2010年以优异的成绩获得学位。此后，他在E.W. Meijer.教授研究小组中开始了博士项目。他研究分子自组装过程中的聚集途径。2014年，他以优异的成绩在埃因霍温科技大学获得博士学位。自2014年6月以来，Peter活跃Aizenberg集团，致力于开发自激系统，在受限空间中进行自组装以及在自适应微系统中实现新的驱动概念。
参考文献：
doi.org/10.1038/s41467-019-14114-0
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