CN111788058B - 用于在软材料中生成复杂的三维(3d)结构的定向聚合方法 - Google Patents

用于在软材料中生成复杂的三维(3d)结构的定向聚合方法 Download PDF

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Abstract

提供了由水凝胶形成三维结构的方法，该方法包括以下步骤：(a)将水凝胶聚合溶液放置在反应容器内，以及(b)使水凝胶聚合溶液在环境温度下不经混合反应一段时间，同时通过反应溶液/聚合调节剂界面将聚合调节剂引入反应溶液中，其中在该时间段内，在反应溶液中建立调节效应梯度，其中该调节效应在反应溶液/聚合调节剂界面处具有最大值，并且在距所述界面最远的点处具有最小值。所述方法额外地包括使用诸如线和/或丝的物理约束构件。

Description

用于在软材料中生成复杂的三维(3D)结构的定向聚合方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月14日提交的第62/708,588号美国临时专利申请和于2018年10月16日提交的第62/746,217号美国临时专利申请的权益，两个申请的全部内容都通过援引并入本文。
技术领域
本发明涉及在软材料中生成三维结构的方法。
背景技术
在本说明书中先前公开的文献的列举或讨论不应必然被认为是承认该文献是现有技术的一部分或是公知常识。
植物或动物的活组织形成复杂的三维(3D)形状和模式以实现它们的功能。例如，响应于光和重力的方向的变化，植物茎的定向弯曲使得叶子能够改善它们的光合作用效率。类似地，在人肠中形成个体绒毛有助于更好地吸收营养素。组织生长是个体细胞生长和/或细胞增殖的结果，在此期间，通过消耗在动物或植物中局部吸收并且经由血管系统运输到其结构的其它区域的营养素来合成新的生物质。相比于其它生长机制(诸如金属的固化，其中通过将新固化的材料添加到表面上来完成生长)，将新的生物质连续地插入到现有结构中使得活组织生长成为独特的现象。此外，因为组织生长的速率由生长因子的存在决定，所以由于通过细胞间转运实现的生长因子的不均匀分布，活组织中的差异性空间生长是可能的。差异性空间生长的直接结果是内部机械残余应力的出现，其通过以下两个方面影响组织形态发生。一方面，生长诱导的残余应力可以调节生物化学信号传导途径并且稳定生长因子的区域分布，使得应力水平进一步增加。另一方面，当累积的残余应力达到临界值时，它可以通过例如机械屈曲组织来促进组织形态发生。
活组织的差异性生长已经主要通过水凝胶的差异性溶胀在体外复制[TallinenT,et al.,(2014)Proc Natl Acad Sci USA 111:12667–12672；Mora T,Boudaoud A(2006)Eur Phys J E Soft Matter 20:119–124；Motala MJ,et al.(2015)Extreme Mech Lett3:8–16；Epstein E,et al.(2015)Small 11:6051–6057；Abdullah AM,et al.(2016)Extreme Mech Lett 7:34–41]。通常引入借助于诸如空间改变交联程度[Motala MJ,etal.(2015)Extreme Mech Lett 3:8–16；Klein Y,et al.(2007)Science 315:1116–1120；Kim J,et al.(2012)Science 335:1201–1205]、采用多层设计[Epstein E,et al.(2015)Small 11:6051–6057；Abdullah AM,et al.(2016)Extreme Mech Lett 7:34–41；AbdullahAM,et al(2016)Soft Matter 12:6184–6195]或将水凝胶附接至刚性表面以便赋予机械边界约束(Lee H,et al.(2012)Phys Rev Lett 108:214304)的方法的工程化异质性来实现稳定的差异性溶胀。具有在印刷方向上排列的刚性纤维素原纤维的层状水凝胶的三维印刷产生了受控的溶胀，其显示出模拟在自然界中发现的复杂3D结构的演变(Gladman AS,etal.(2016)Nat Mater 15:413–418)。尽管它们能够生成3D几何形状，但在软材料中产生复杂形状的现有方法以下列不同的方式在根本上不同于组织生长经历的过程：(i)通过将新细胞添加至现有细胞聚集体中来生长活组织，而在水凝胶的受控溶胀期间不涉及进一步聚合；并且(ii)水凝胶的形成和溶胀是工程化系统中的两个连续过程，而在活系统中，组织生长和形状形成作为单个综合过程发生。换言之，通过水凝胶的受控溶胀来工程化复杂3D形状的现有方法构成自上而下的方法；相反，活组织的形态发生是自下而上的方法。
植物启发的工程化系统的实例包括：用从荷叶的结构中得到的策略设计的超疏水表面；由猪笼草启发的自修复防污表面；以及由捕蝇草启发的致动系统。受多品种和多样性的植物器官的三维(3D)形状的驱动，为鉴定调节细胞分裂和/或细胞扩增以及形状形成的遗传和生物分子途径已投入了大量的努力。尽管具体基因以程序化方式决定细胞生长，但生物力学也在器官水平上的3D形状形成中起到基本且重要的作用。组成材料的组成不均匀性或生长因子的极化细胞间转运导致了在诸如叶、茎、根、花和果实的植物器官的不同部分中的不均匀和不统一的生长，并因此导致了生长应变的错配。与可以迁移以适应额外空间的需要的哺乳动物细胞形成对照，邻近的植物细胞壁中的物理约束迫使相邻细胞以协调的方式变形，促进复杂形状的出现。
叶片或花瓣主要由夹在两层表皮之间的两层叶肉细胞组成，其中维管叶脉位于叶肉的正中面。响应于环境刺激(例如，温度、光或湿度)，在叶肉的上侧与下侧之间的差异性细胞扩增造成花的反复打开和闭合。然而，边缘区域内过度的细胞生长在仅打开一次的叶和花瓣中的鞍形和波纹边的形成中起主导作用。除了鞍形和局部波纹之外，螺旋生长表示了自然界中常见的另一种生长模式。还观察到茎的螺旋生长与微管的螺旋模式之间直接相关。此外，细胞壁组成可以指示植物细胞的螺旋生长。我们目前对植物器官中的形态发生和形状演变的机制的理解还不够完整，不能推断观察到的微管或细胞的螺旋模式是器官的螺旋生长的原因还是结果。另外，一些物种中看似随机的扭曲方向的演变表明了非遗传因素影响植物器官的螺旋生长的出现的可能性。
发明内容
在本发明的第一方面，提供了由水凝胶聚合溶液形成三维结构的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将水凝胶聚合溶液放置在反应容器中，其中该水凝胶聚合溶液包含溶剂、聚合引发剂以及：
单体、聚合物或低聚物和与所述单体、聚合物或低聚物化学相容的交联剂；和/或
适合于在暴露于聚合引发剂时自交联的聚合物或低聚物；以及
(b)使水凝胶聚合溶液在环境温度下不经混合反应一段时间，同时通过反应溶液/聚合调节剂界面将聚合调节剂引入反应溶液中，其中
在该时间段内，在反应溶液中建立调节效应梯度，其中该调节效应在反应溶液/聚合调节剂界面处具有最大值，并且在距所述界面最远的点处具有最小值。
在本发明的第一方面的实施方式中：
(i)反应容器可以具有疏水表面，任选地其中表面的一个或多个区域可以被改性以提供亲水表面；
(ii)反应容器可以具有亲水表面，任选地其中表面的一个或多个区域可以被改性以提供疏水表面；
(iii)聚合调节剂可以是水凝胶聚合的化学调节剂，并且调节效应梯度可以是化学调节剂的浓度梯度,任选地其中化学调节剂可以是选自氧、醌、苯酚、含硝基的芳香族化合物、含亚硝基的芳香族化合物、碘或硫的组中的一种或多种(例如，化学调节剂可以是氧)；
(iv)聚合调节剂可以是高于或低于聚合溶液的初始环境温度至少10℃的温度，并且调节效应梯度可以是温度梯度；
(v)单体可以选自选自丙烯酰胺、衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸、甲基丙烯酸酯和甲基醚甲基丙烯酸酯的组中的一种或多种；
(vi)适合于在暴露于聚合引发剂时交联的聚合物或低聚物可以选自由聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)、低聚(乙二醇二丙烯酸酯)和低聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)组成的组中的一种或多种；任选地其中用于与交联剂反应的聚合物或低聚物可以选自低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯或聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯；
(vii)交联剂在存在时可以选自双丙烯酰胺、双丙烯酸酯和双甲醇化物(bismethylate)；
(viii)在水凝胶聚合溶液中，单体、聚合物或低聚物：交联剂的重量：重量比可以为10:1至500:1w/w，诸如50:1至250:1w/w，诸如75:1至150:1w/w，诸如约100:1w/w；
(ix)由水凝胶聚合溶液形成的水凝胶可以选自由聚丙烯酰胺、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸)、聚(衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-丙烯酰胺)、聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)和聚(低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯-co-2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯)组成的组中的一种或多种；
(x)在步骤(a)中可以向反应容器中添加一个或多个亲水性物理约束构件，其中该亲水性物理约束构件在步骤(b)中在毗邻或邻近亲水性物理约束构件的区域中减少聚合物的生长。本文中可以提及的亲水性物理约束构件的实例包括聚合物线(例如，相对于水凝胶更硬的材料，诸如PDMS)，或更具体地，丝(thread)、线(wire)或其组合；
(xi)反应容器可以具有表面并且表面的一个或多个区域可以用化学约束材料处理，该化学约束材料通过与生长的聚合物材料形成共价键而减少或完全抑制在步骤(b)中在如此处理的表面的每个区域上或邻近处的聚合物的生长，任选地其中该化学约束材料为反应容器的表面区域提供了选自醛、硫醇或丙烯酸酯的官能团；
(xii)反应容器可以由玻璃和聚合物材料(例如聚合物材料是聚二甲基硅氧烷)中的一种或多种形成，任选地其中可以由玻璃基底形成反应容器的底表面，并且可以由聚二甲基硅氧烷形成一个或多个反应容器壁；
(xiii)步骤(b)的产物可以进一步与水进行水合以形成最终的水合产物；
(xiv)获得的产物可以具有模仿生物组织的三维形状的三维形状，任选地其中该三维形状模仿血管、植物茎、叶和肺组织。
在本发明的第二方面，提供了通过如本发明的第一方面中描述的方法获得或可获得的产物，以及其实施方式的任何技术上合理的组合。
附图说明
在下文中将参考附图更全面地描述本公开的某些实施方式。
图1.用和不用等离子体处理的PDMS表面上凝胶溶液的润湿角的测量。
图2.通过受控的氧扩散以及表面疏水性的改变，PA水凝胶的盘-环转变。(A)聚合方法的示意图。由于仅在黑色虚线的左侧上的扩散介导的氧抑制而发生凝胶化。(B)在265s之后，没有(B1)和具有(B2)等离子体处理的圆柱形PDMS室内的凝胶溶液的模拟弯月面覆盖有凝胶溶液内的氧浓度的等值线图。大量液体存在于弯月面下方。氧浓度通过液体-空气界面处的浓度归一化。凝胶区域(图像中的黑色或最暗的区域)被鉴定为其中归一化的氧浓度低于1.4％的区域(例如，参见Hepworth SJ,et al.,(1999)Phys.Med.Biol.44:1875–1884)。(C)在将样本从反应室中取出之后，没有(C1)和具有(C2和C3)等离子体处理的聚合水凝胶的尺寸。凝胶溶液的体积通过室的底面积归一化，初始标称液体高度对于C1和C2为1.84mm，并且对于C3为2.10mm。白色虚线圆圈表示反应室的尺寸。(比例尺：1cm)。(D)归一化的环宽度(即，通过室的半径归一化的环结构的宽度)随凝胶溶液的标称高度而变化的实验和模拟结果。
图3.聚合期间结构不稳定性的出现。水凝胶环的连续内部生长在聚合的早期阶段导致起伏的皱纹(左侧照片中的箭头)并且在后期阶段导致屈曲不稳定性(右侧照片)。
图4.植物和动物组织的形态发生的仿生学。(A)植物茎在向重力性下的定向弯曲(来自因特网的图像)。通过氧扩散介导的差异性聚合的矩形水凝胶环的定向弯曲的示意图(B)和实验图(C)。(D)鞍形叶子的代表性图像。(E和F)将在具有由软线施加的几何约束的椭圆形室中聚合的PA凝胶从室中取出之前(E)和之后(F)。(G)人正常气道和哮喘气道的Movat’s五色(pentachrome)染色。(H)具有圆形线约束的聚合的水凝胶。(比例尺：1cm)。
图5.水凝胶环中由差异性聚合引起的残余弯曲力矩。(A)PA水凝胶环在从反应室中取出之后的照片。(B)在切开之后，水凝胶环向内弯曲。(C)由于差异性聚合而存在残余的弯曲力矩的示意图。预期氧浓度从环的内侧到外侧逐渐降低，并因此聚合速率从内侧到外侧增加。预期差异性生长速率在外侧产生压缩应力，而在内侧产生拉伸应力。(比例尺：1cm)。
图6.具有和不具有波纹边缘的自组装3D软质水凝胶碗。将蓝色食品染料溶液保持在碗中以证明它们的结构完整性。(比例尺：1cm)。
图7.具有不同侧壁疏水性的反应室中的自组装3D结构。用硬金属线引入机械约束。(比例尺：1cm)。
图8.将水凝胶化学键合到玻璃表面上抑制内部生长。(A)化学活化的基底表面防止水凝胶盘的内部生长，而水凝胶盘在没有化学处理的表面上经历内部生长。反应室的侧壁是疏水的，并且在移除反应室之后拍摄图像。(B)化学活化的基底表面防止水凝胶环的内部生长。(比例尺：1cm)。
图9.使用选择性激活的玻璃基底产生软3D结构的实验的示意性说明。通过将PDMS环附接到选择性官能化的玻璃盖玻片上来构造聚合室。经由在陪替氏(Petri)培养皿中胶黏的激光切割的丙烯酸环的复制模塑而产生PDMS环。在APTMS和戊二醛溶液中连续温育之后，盖玻片被官能化。经由激光切割的丙烯酸模具的复制模塑获得的具有分支结构的PDMS模具用于限制暴露于戊二醛溶液的表面。在聚合之后，分离PDMS环使得3D水凝胶结构附接在玻璃盖玻片上。
图10.用选择性图案化的玻璃基底产生的三维水凝胶结构。图案区域表示可以与PA水凝胶化学结合的活化的区域。(比例尺：1cm)。
图11.叶子的四种3D构型的再现：(A)扭曲和螺旋扭曲；(B)鞍形弯曲和边缘波纹。插图是不同构型的归一化生长应变曲线(εg/β)的等值线图：在子图(A)中n＝2并且在子图(B)中n＝8。步骤[1]和步骤[2]分别表示聚合和水合。比例尺：1cm。
图12.生长叶子的有限元建模。(A)通过长叶内边缘处的最大生长应变归一化的代表性生长应变分布(应变从中心到边缘增加，但沿着长度方向保持均匀)。(B)通过最大生长应变归一化的具有各种n值的差异性生长应变曲线。(C)在n＝2时出现扭曲和螺旋扭曲构型。绘制了不同最大应变水平下的流体静应力的等值线。(D)在n＝2时每单位长度的归一化的扭曲角随最大应变而改变。理论预测来自等式(4)，并且模拟结果来自有限元建模。(E)在n＝10时出现鞍形弯曲和边缘波纹构型。绘制了在各种最大应变水平下的流体静应力的彩色等值线。(F)在n＝10时边缘波纹的波长(由正方形表示)和最大静水应力水平(由三角形表示)随最大应变而改变。
图13.薄植物器官的形态发生随n和β而变化的相图。由三角形、正方形和圆圈表示数据点，其分别表示具有扭曲、边缘波纹和鞍形弯曲构型的叶子。
图14.叶子形态发生的体外复制。(A)体外水凝胶系统的工作原理的示意图。(B)在PA水凝胶中操纵生长应变曲线。
图15.n＝2和n＝10时不同的最大生长应变水平下von Mises等效应力的等值线图。
图16.在n＝4时出现中间态。(A)在β＝0.2时的中间态的代表性构型中的vonMises等效应力的等值线图。(B)应变能量演变随最大应变水平而变化。扭结表示如黑箭头所示的应变能突然下降。
具体实施方式
本发明涉及用于形成三维水凝胶结构的新方法，其中获得的最终三维结构仅受限于该方法的使用者的想象力。在其最简单的形式中，该方法对水凝胶聚合溶液应用调节剂，以这样的方式实现聚合的差异性调节。这种差异性调节也可以通过其它约束来辅助，诸如物理约束或化学约束，这些约束有助于将生长的水凝胶成形为使用者所需的形状。因此，在第一种情况中，本发明涉及由水凝胶聚合溶液形成三维结构的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将水凝胶聚合溶液放置在反应容器中，其中该水凝胶聚合溶液包含溶剂、聚合引发剂和：
单体、聚合物或低聚物和与所述单体、聚合物或低聚物化学相容的交联剂；和/或
适合于在暴露于聚合引发剂时自交联的聚合物或低聚物；以及
(b)使水凝胶聚合溶液在环境温度下不经混合反应一段时间，同时通过反应溶液/聚合调节剂界面将聚合调节剂引入反应溶液中，其中
在该时间段内，在反应溶液中建立调节效应梯度，其中调节效应在反应溶液/聚合调节剂界面处具有最大值，并且在距所述界面最远的点处具有最小值。
在本文的实施方式中，词语“包括”可以被解释为需要提及的特征，但不限制其它特征的存在。可替代地，词语“包括”也可以涉及以下情形，其中仅所列出的组成/特征是旨在存在的(例如，词语“包括”可以用短语“由……组成”或“基本上由……组成”替换)。明确地设想了较广泛和较狭义的解释两者均可适用于本发明的所有方面和实施方式。换句话说，词语“包括”及其同义词可以用短语“由……组成”或短语“基本上由……组成”或其同义词替换，反之亦然。
当在本文中使用时，“水凝胶”是指通过所述链之间的交联保持在一起的亲水性聚合物链的三维网络。所得聚合物网络可以吸收显著量的水(例如，在一些情况下，在完全水饱和的水凝胶中水的重量百分比可以超过90wt％)。考虑到高程度的吸水性，水凝胶也具有与天然组织非常相似的柔韧程度。
当在本文中使用时，术语“聚合引发剂”意指可以提供可以与单体反应以形成中间体化合物的化学物质的材料，该中间体化合物能够与大量其它单体连续连接以形成聚合化合物。在本发明的上下文中，聚合引发剂也可以能够重新引发低聚物或聚合物的链增长和/或也引发交联。
被选择包含在水凝胶聚合溶液中的一种或多种聚合引发剂将取决于所选择的单体、低聚物和聚合物。因此，基于被选择以形成水凝胶的材料，本领域技术人员可以容易地确定选择。本文中可以提及的合适的聚合引发剂包括但不限于偶氮化合物(例如1,1'-偶氮二(环己烷甲腈和偶氮二异丁腈)、无机过氧化物(例如过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾和，以及羟基甲烷亚磺酸单钠盐二水合物)、有机过氧化物(例如叔丁基过氧化氢、过氧化苯甲酰等)、有机光引发剂(例如，苯乙酮、二苯甲酮、苯偶酰和苯偶姻化合物、噻吨酮和阳离子光引发剂)及其组合。
尽管聚合引发剂可以单独使用，但它也可以与合适的引发剂催化剂组合使用。可以与过硫酸盐(例如过硫酸铵)组合使用的合适的聚合引发剂催化剂的实例是四甲基乙二胺。
当在本文中使用时，“交联剂”是指能够在至少两个或更多个聚合物链(例如2、3、4或5个，诸如2个)之间形成共价键的材料。更具体地，交联剂可以是不终止聚合链扩增过程的材料，并因此可以将多于一种交联剂引入生长的聚合物链中，从而允许单链连接到多于一个的其它聚合物链，并从而能够在所述聚合物链之间形成三维网络。在本发明的上下文中，“交联剂”用于指最初作为单独组分提供给水凝胶聚合溶液的材料。换言之，交联剂不与任何其它材料共价键合。相比之下，术语“适合于自交联的聚合物或低聚物”是指包含可以与单独的聚合物或低聚物链上的相容官能团反应形成共价键从而将链交联在一起的官能团的聚合物或低聚物材料。
可以关于本发明提及的合适的交联剂包括但不限于双丙烯酰胺、双丙烯酸酯、双甲醇化物及其组合。应理解，添加的交联剂的量将取决于所需的水凝胶的类型。因此，添加的交联剂的量可以由技术人员基于最终水凝胶中所需的性质来确定。单体、聚合物或低聚物：交联剂的合适量的实例为10:1至500:1w/w，诸如50:1至250:1w/w，诸如75:1至150:1w/w，诸如约100:1w/w。
当水凝胶聚合溶液中仅包含单个单体材料时，选择与单体材料相容的交联剂和聚合引发剂。然而，如将理解的，可以存在两种或更多种(例如2、3、4或5种)单体材料。在单体材料彼此相容(以便形成无规共聚物)的情况下，则交联剂和聚合引发剂也将与所使用的所有材料相容。
可用于水凝胶聚合溶液的合适的单体包括但不限于丙烯酰胺、衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸、甲基丙烯酸酯、甲基醚甲基丙烯酸酯及其组合。
如上所述，除了(或代替)单体，水凝胶聚合溶液可以含有一种或多种低聚物和/或一种或多种聚合物，其在合适的聚合引发剂的存在下能够进一步聚合或交联。对可以使用的低聚物和聚合物没有特别的限制，像这样的水凝胶聚合溶液中的每种低聚物或聚合物可以是均聚/低聚材料或者其可以是共聚/低聚材料。
当这样的低聚物和聚合物与相容的一种或多种单体组合使用时，当水凝胶聚合溶液中的单体不同于产生一种或多种低聚物/聚合物的一种或多种单体时，可以形成嵌段共聚物。
可用于本发明的合适的聚合物和低聚物包括但不限于低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯及其组合。如将理解的，当暴露于单独的交联剂时，以上低聚物和聚合物可以交联。
在本发明的具体实施方式中，水凝胶聚合溶液可以包含一种或多种聚合物和/或一种或多种低聚物，其在暴露于相容的聚合连接基时能够自交联。以下提供了合适的自交联低聚物和聚合物的细节。这些聚合物和低聚物可以单独使用或与上述单体、聚合物和低聚物组合使用(其需要包含单独的交联剂)。在使用的低聚物和聚合物彼此相容的情况下，则可以在单个3维网络中形成嵌段共聚物。值得注意的是，自交联聚合物/低聚物可以与上述单体、低聚物、聚合物及其组合组合使用，以生成其它共聚物和材料的共混物。
适于在暴露于聚合引发剂时交联的聚合物和低聚物包括但不限于，聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)、低聚(乙二醇二丙烯酸酯)、低聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)及其组合。
如将理解的，预期本文公开的单体、低聚物和聚合物的任何合适的组合。此类组合可用于提供具有特别期望的性质(例如机械强度等)的最终水凝胶。在替代实施方式中，上述材料中的每一种均可以单独使用。技术人员能够选择合适的材料以获得他们希望最终水凝胶具有的期望物理性质。
可以形成的合适的水凝胶的实例包括但不限于，聚丙烯酰胺、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸)、聚(衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-丙烯酰胺)、聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)和聚(低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯-co-2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯)。可以理解，形成的水凝胶可以采用上述任何形式，并因此也可以包括上述两种或更多种聚合物的互穿聚合物网络。为了完整性，应当理解，如果以上列出的聚合物形成水凝胶的三维网络的全部或部分，则它们必须是交联的。
当在本文中使用时，“聚合调节剂”是指可用于增加或减少水凝胶聚合溶液中的聚合的化学物质或能量形式(例如，以通过温度差的热传递的形式)。
在本发明的上下文中，当聚合调节剂是化学物质的形式时，则水凝胶聚合溶液在步骤(a)的初始时基本上不含该材料。当在本文中使用时，“基本上不含”意指调节剂材料在以上步骤(a)中使用的初始水凝胶聚合溶液中的浓度小于1wt％，诸如小于0.01wt％，或小于0.0001wt％。
例如，在使用调节气(例如氧气，已知其抑制某些聚合反应)的典型反应装置中，将水凝胶聚合溶液放置在暴露于空气(或纯氧)的反应容器中，从而在水凝胶聚合溶液的表面处建立气体-溶液界面。可以使用从溶剂和其它组分中去除氧的任何合适的方法。例如，为了去除氧，可以将溶剂放置在真空干燥器中一段时间(例如30分钟)以确保至少溶剂基本上(例如完全)不含溶解的氧气。在替代的布置中，可以对不含引发剂化合物的水凝胶聚合溶液进行相同的处理，然后后续添加引发剂化合物。考虑到溶解在溶剂中的氧气的量在任何给定的时间时可以相对较低，另一种替代方案是选择一定量的引发剂，提供的所述量的引发剂足以去除最初存在于水凝胶聚合溶液中的氧气并且能够引发聚合反应，从而允许通过氧气从空气中扩散来控制所得到的抑制。在又一个替代方案中，可以通过使惰性气体(例如氮气或氩气)以合适的流速(如本领域技术人员容易确定的)鼓泡通过溶剂/溶液一段合适的时间来基本上去除溶剂或水凝胶聚合溶液中的氧。随着时间的推移，一旦水凝胶聚合溶液暴露于氧/空气，氧就会扩散到水凝胶聚合溶液中并且建立氧气的浓度梯度，其中氧气的浓度在气体-溶液界面处最大并且在距所述界面的最远处最小。考虑到这种布置，氧能够最有效地抑制与水凝胶聚合溶液的表面最近的聚合，但随着距水凝胶聚合溶液的表面的距离增加，越不能抑制聚合，从而能够实现差异性聚合生长速率。
如将理解的，如果使用液体，可以建立类似的界面，其中含有调节剂的液体(作为溶液或者以纯液体的形式)可以以滴加/受控的添加方式在一个或多个点应用至反应容器的表面(或通过反应容器中的入口)，以建立一个或多个浓度梯度，通过随时间建立浓度梯度来抑制/增加聚合度。因此，如从上述讨论可以得出的，当聚合调节剂是水凝胶聚合的化学调节剂时，则以上提及的调节效应梯度是化学调节剂的浓度梯度。
本文中可提及的合适的化学调节剂包括但不限于，氧、醌、苯酚、含硝基的芳香族化合物、含亚硝基的芳香族化合物、碘、硫及其组合。在本发明的具体实施方式中，当存在化学调节剂时，它可以是氧。据信，本文提及的化学调节剂通过抑制聚合物链生长起作用。
在本发明的上下文中，当聚合调节剂是诸如热传递的能量传递的形式时，调节效应稍微不同。这是因为没有材料的浓度梯度。取而代之，如将理解的，水凝胶聚合溶液将具有环境温度，并因此当在本文中使用时，应用热传递是指应用分别具有比水凝胶聚合溶液的初始环境温度更高或更低的温度的热源或冷源。在本发明的简单实施方式中，可以通过将加热或冷却元件应用至反应容器的壁上来实现热或冷的应用，在这种情况下，其用作反应溶液/聚合调节剂界面。注意到温度的影响可以是非常复杂的，因为它不仅可以影响自由基产生的速率，还可以改变自由基和单体/交联剂的扩散。然而，据信，将热源应用至水凝胶聚合溶液将导致与热源/溶液界面更近处的聚合增加，距热源/溶液界面更远处发生的聚合较少。另一方面，据信，相反的情况是应用冷却源，使得与冷却源/溶液界面最近处的水凝胶聚合溶液中存在的反应物将比距所述界面更远处的水凝胶聚合溶液中的反应物经历更少的聚合。如将通过以上描述理解的，当应用加热源或冷却源时，则调节效应梯度是温度梯度。
如上所述，能量传递可以是产生温度梯度的加热源或冷却源的形式。该加热源或冷却源可以提供比水凝胶聚合溶液的初始环境温度高或低至少10℃的温度。如将理解的，水凝胶聚合溶液的初始环境温度可以与在应用加热源和/或冷却源之前水凝胶聚合溶液所处的环境的初始环境温度相匹配。因此，水凝胶聚合溶液的组分可以放置在所需的周围环境中，并且允许它们在结合在一起形成水凝胶聚合溶液之前平衡至周围环境的温度。
如将理解的，如果需要，可以将温度调节与化学调节结合。
在水凝胶聚合溶液中使用的溶剂可以是能够允许水凝胶聚合生长的任何合适的溶剂。因此，它必须与水凝胶聚合溶液的其它组分相容。合适的溶剂的实例包括但不限于水。
反应容器可以是任何合适的容器，并且取决于所得水凝胶的所需形状和尺寸，反应容器可以具有任何合适的尺寸和体积。鉴于此，应注意到反应容器需要具有能够容纳水凝胶聚合溶液的尺寸和形状。然而，如实施例中所公开的，所得水凝胶实际上可以具有大于反应容器的尺寸的尺寸。如将理解的，反应容器将具有至少一个表面，该至少一个表面在水凝胶形成期间与水凝胶聚合溶液接触。取决于反应容器如何配置，可以仅有一个表面，或者可以有多个表面。例如，可以有连接至圆柱形垂直壁上的平坦基部。然而，对反应容器的设计和组成没有特别限制，除了它应该是不与水凝胶聚合溶液的任何组分或应用至其中的调节剂反应的容器。可以形成反应容器的全部或部分的合适的材料的实例包括但不限于，塑料(例如聚苯乙烯)、玻璃、聚合物材料(例如聚合物材料是聚二甲基硅氧烷)及其组合。例如，可以由玻璃基底形成反应容器的底表面，并且可以由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成一个或多个反应容器壁。该实例中的布置可用于原型制作反应容器，因为其易于定制反应器的形状和尺寸。此外，通过将PDMS轻轻地按压抵靠在玻璃上，可以将PDMS容易地附接在玻璃表面上，并且由于附接点密封良好，产生不渗漏的反应容器。
尽管普通玻璃(主要由硅酸盐材料制成)在性质上是合理亲水的，但聚二甲基硅氧烷或一些玻璃或可用于生成反应容器的全部或部分的其它物质可以具有相对疏水的表面。当在本文中使用时，“疏水表面”被认为是接触角大于90度(90°<θ<180°)的任何表面，如使用以下在实施例部分中描述的测试所测量的。当在本文中使用时，“亲水表面”被认为是接触角小于90度(0°<θ<90°)的任何表面，如使用以下在实施例部分中描述的测试所测量的。对“疏水性”和“亲水性”的引用在本文中可以相应地解释。
如将理解的，反应容器的形状将对由其制备的水凝胶的形状具有影响。此外，反应容器的表面(一个或多个)的亲水/疏水性质也可以对所得水凝胶产物具有影响。这在实施例中显示，其中改变反应容器(由PDMS制成)的侧壁的亲水性程度导致形成碗状水凝胶或环状水凝胶或管状水凝胶-参见图2和图3以及以下的实施例1。如将理解的，可以通过表面的化学改性来改性反应容器的全部或部分表面，以改变所述表面的疏水性/亲水性。例如，虽然PDMS是疏水的，但可以使PDMS经受来自等离子体清洁器的等离子体处理，以活化表面并且使其亲水，如以下在实施例1中更详细地讨论的。如将理解的，尽管可以使反应容器的整个表面更亲水，但可以通过使用掩膜(例如，用PDMS薄膜覆盖区域以在等离子体处理期间保留它们的原始性质)仅改性部分的表面。
因此，在其中反应容器具有疏水表面的本发明的实施方式中，反应容器表面的一个或多个区域可以被改性以提供亲水表面(例如通过如上所述的等离子体处理)。类似地，在本发明的实施方式中，反应容器具有亲水表面，所述表面的一个或多个区域可以被改性以提供疏水表面。为了避免疑义，未处理的反应容器可以具有多于一个的表面，每个表面独立地被选择为在未处理的状态下是疏水表面或亲水表面。如果希望全部或部分地改性这些未处理的表面的疏水性/亲水性，则可以使用上述处理。在仅部分的表面要被处理的情况下，不需要被处理的表面区域可以被掩膜材料覆盖以保留其原始性质，同时允许要被处理的区域获得改性的表面性质。
不希望受理论束缚，据信壁的表面疏水性对反应容器(无论是容器的全部还是一部分)中的水凝胶聚合溶液的弯月面轮廓具有显著影响，并且这因此调节聚合过程，如以下实施例1中所示。
为了由以上概述的方法获得更复杂的形状，可以将亲水性物理约束构件和/或化学约束材料包括到反应容器中。
当在本文中使用时，“物理约束构件”是指将成型的物理物体引入到性质上亲水的反应容器，并且因此影响在水凝胶聚合溶剂中在邻近所述构件和/或与所述构件直接接触的位置处发生的聚合反应。因此，物理约束构件可以作为与反应容器完全分离的实体引入，或者也可以作为从反应容器的一个或多个壁延伸的突出部引入。如将理解的，可以在本文所述的方法中使用物理约束构件的每个变体中的一个或多个。
通常，对反应容器使用一个或多个亲水性物理约束构件旨在减少在方法的步骤(b)中在与亲水性物理约束构件毗邻(即直接接触)或邻近的区域中聚合物的生长。如将理解的，如果亲水性物理约束构件包含导热材料(例如金属线)，则可以分别通过将冷源或热源附接至所述构件来增强或减弱亲水性物理约束构件的效果，从而潜在地提供更精细地控制由物理约束构件提供的约束程度的能力。
可以以任何合适的形状和尺寸提供本文提及的物理约束构件，条件是形状和尺寸能够降低聚合物在溶液中在其紧邻的区域(即，与所述构件直接接触或在与所述构件邻近的区域中的聚合物链)中的生长速率。合适的物理约束构件可以是与一个或多个反应容器壁分开或从一个或多个反应容器壁突出的丝、线和可能的电子电路(例如柔性电子电路)的形式。应当理解，将柔性构件(例如，丝或柔性电子电路)附接到反应容器的至少两个部分(或从反应容器的一个壁突出的线)可以实现通过简单直接放置丝线在反应容器中所不可能实现的定向，这些附加定向使得该方法的最终产物具有更大的设计自由度和灵活性。对于更刚性的构件，应当理解，仅需要一个与反应容器壁的附接点。
如本文所示，添加物理约束构件(即，丝/线)导致邻近和/或毗邻(即，直接接触)所述构件的区域中的聚合物生长减少，从而允许在反应容器的其它区域中更快速的生长。以下提供了使用这种技术通过在反应容器中包含1根至3根线作为物理约束构件来获得叶状结构的实例(例如，参见图4和实施例2，以及图11和实施例6)。
为了避免疑义，应注意物理约束构件的整体与水凝胶聚合溶液接触不是必需的。例如，在某些实施方式中，在物理约束构件与水凝胶聚合溶液之间可以仅存在两个或更多个(例如2、3、4、5、6、7、8、9或10个，或更多个)点接触，物理约束构件的其余部分用于连接点接触，但保持在水凝胶聚合溶液的外部。换言之，此类物理约束构件包含两个或更多个支架部和一个或多个连接部，其协同作用允许物理约束构件以立式放置在水凝胶聚合溶液中。在实施例4和图7中描绘和描述了这种物理约束构件(例如，由线制成)的实例。
对可用于形成本文所述的物理约束构件的材料的种类没有特别限制，条件是它们是相对亲水的并且因此不排斥水凝胶聚合溶液，从而防止溶液的内容物与材料相互作用。例如，当物理约束构件是丝的形式时，它可以由棉花或其它天然纤维制成，或者它可以由金属制成。当物理约束构件是线的形式时，它可以由任何合适的金属制成，诸如金、银、铜、铁等。当在本文中使用时，术语“丝”旨在指具有与用于制造衣服的那些材料类似的性质的材料，并且在某些实施方式中，可以用于指比围绕其形成的水凝胶柔性相对更大的材料。当在本文中使用时，“线”是指可显示正常金属线的性质的材料，并且在某些实施方式中，可用于指比围绕其形成的水凝胶柔性相对更小的材料。如将理解的，水凝胶的柔性可以通过改变在其制造中使用的材料的组成来改变，因此取决于与其配对的水凝胶，可以认为单一材料是丝状或线状。
除了上述材料以外，还可以使用合成的丝或线。例如，丝或线可以由适当亲水的任何合适的弹性体材料制成(例如，通过将弹性体切割或成型为所需的形状)。
应注意的是，尽管物理约束构件必须是性质上亲水的材料，以便使构件与水凝胶聚合溶液紧密结合，但这并不意味着排除疏水材料。换言之，尽管在其天然状态的疏水材料可能不适用于本发明，但此类材料可以经受处理，该处理则使其足够亲水以用于该方法中。例如，虽然PDMS在其天然状态下可能不适合，但可以用等离子体处理以使其更亲水并因此适合以线/丝的形式用于本文公开的方法中。当反应容器的一些壁由相同(或类似)的疏水材料制成并且这些壁的至少一部分将用如上所述的等离子体处理时，使用PDMS或其它此类材料可能是特别有用的。在这种情况下，可以同时用等离子体处理从反应壁突出的PDMS线/丝。
还应注意的是，在某些实施方式中，缠绕一个或多个亲水性丝(例如棉丝)可能具有附加的优点。这可以使线更亲水(由于组合可能地将非亲水性线转变成亲水性线)和/或可以增加聚合物生长抑制的程度。因此，这些组合在本发明中被特别考虑。
如将理解的，当在物理约束构件中使用金属时，所得产品可以适用于柔性电子和生物电子界面装置。例如，在柔性电子装置中，电子电路通常安装在柔性塑料或弹性基底上。因为水凝胶的机械性能更接近活组织，所以它们是作为生物电子界面的有前景的材料。当与细胞和组织相互作用时，复杂的三维几何形状通常是必需的。据信，可以将电子电路并入水凝胶聚合溶液中，并因此并入所得水凝胶体系中。在这种情况下，电子电路可以用作机械约束，促进形成具有所需3D结构的功能柔性电子装置。
最后，应注意的是，物理约束构件(例如，丝和线)可以进行化学改性，以便允许在物理约束构件与生长的聚合物材料之间形成共价键，从而限制聚合物生长。下面将对化学约束材料的使用进行更详细的描述。
除了物理约束构件的使用以外或代替物理约束构件的使用，还可以将化学约束材料引入到反应容器中。当在本文中使用时，术语“化学约束材料”是指能够通过与生长的聚合物材料形成共价键而完全抑制聚合物在水凝胶聚合溶液中生长的物质。
如上所述，可以将化学约束材料应用到物理约束构件(或其部件)的表面，以进一步抑制所述构件附近的聚合物链生长。此外，化学约束材料可用于处理反应容器的表面的一个或多个区域以实现相同的目的。在后一种情况下，使用此类表面处理可以实现特定形状的设计。
如将理解的，化学约束材料是表面处理，于是反应容器的表面已经被改性以提供能够与生长的聚合物链形成共价键的合适的官能团。可以存在于反应容器表面的经处理的区域上的合适的官能团的实例包括但不限于醛、硫醇和丙烯酸酯官能团(及其组合)。
实施例5和图8至图10提供了可以如何对反应壁的表面进行改性以包括化学约束构件的实例。简言之，将玻璃盖玻片浸入含有3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTMS)的溶液中，导致在玻璃表面上一个或多个(即全部)乙氧基基团被羟基基团置换，以提供氨基官能化的表面。然后使该表面与戊二醛反应，以提供醛官能化的表面，其可以与生长的聚合物链反应以形成共价键。
如将理解的，由上述反应获得的材料是水凝胶。在许多情况下，由于物理或化学约束的存在，获得的复杂3维结构由于差异性聚合而形成。在某些这些结构中，可以通过进一步水合水凝胶来获得二级结构，水合可以进一步增加水凝胶中产生的约束区域与自由膨胀区域之间的错配程度。这将在下文更详细地解释。
本发明的一些实施方式允许模拟植物叶和花瓣的天然形状。在下文，我们研究了由生物力学约束和植物器官中的差异性生长驱动的3D形状的起源，并且利用有限元模拟对它们进行了模拟。在此基础上，我们在此提出了科学的框架，其建立了能够使植物器官中常见的四种几何构型(扭曲、螺旋扭曲、鞍形弯曲和边缘波纹)合理化的形态相图。我们的结果表明，生长的叶的形态由生长应变的最大值和空间分布二者决定。通过在经由聚合过程的受控操作模拟植物生长的模型水凝胶体系中合成再现我们的相图中的所有四种常见几何构型，我们进一步证实了我们关于差异性生长诱导的形态发生的科学发现的鲁棒性。
为了研究生长应变对形态发生的影响，我们用跨其宽度方向的非均匀生长应变进行了长矩形叶子的有限元(FEM)模拟。
图12A示出了在FEM模拟中使用的叶模型。生长应变从中心处的零增加至边缘处的最大值。通过幂律函数估计沿着宽度方向的生长应变分布，如下：
Figure BDA0002537693950000231
其中y和W分别是从条带到中心的距离和叶子的半宽度。当y＝W时，生长应变从中心处的零单调增加至边缘处的最大值β。幂律指数n表征差异性生长应变分布的陡度。如图12B中所示，增加n的值增加了靠近叶缘的应变分布的陡度，并且降低了内部区域中的应变分布的陡度。在本发明的FEM模拟中，我们将生长过程建模为等效的热膨胀问题。通过规定均匀的非零热膨胀系数但规定非均匀的温度场，我们允许叶子只沿着x轴方向生长，同时防止沿着其它方向的膨胀。
在所有的模拟中，在小的生长应变下，变形开始为平面的；并然后在临界水平上发生不稳定性。对于n＝2的抛物线生长应变分布，第一不稳定性始终导致在低生长应变水平下的扭曲(结构I)(图12C)，表示从平面到3D模式的初始不稳定性的开始。如图12C和图15中所示，在低生长应变水平下扭曲构型几乎没有应力。仅从几何学的考虑，我们注意到，叶子从无应力平面到无应力扭曲构型的形状变化需要由下式给出的生长应变分布
Figure BDA0002537693950000241
其中α是沿着茎的每单位长度的扭曲角。等式(2)的泰勒展开得到
Figure BDA0002537693950000242
当四阶项比二阶项小一个数量级时，边缘处的最大应变
Figure BDA0002537693950000243
等式(3)表明，在低的最大应变水平(β≤0.2)下，扭曲构型的形成能量上有利于n＝2。由等式(2)得到作为最大生长应变的函数的每单位长度的扭曲角，如下：
Figure BDA0002537693950000244
图12D示出了α随应变增加单调增加。FEM模拟得到的结果与理论预测吻合良好。在固定的最大生长应变下，较宽的叶子或花瓣的扭曲小于较窄的叶子或花瓣。
图12C显示，随着生长应变的增加，由于等式(3)中的高阶项变得更重要，由面内拉伸引起的残余应力逐渐累积。因此，保持扭曲构型变得能量上更加不利。与理论相符，我们的模拟揭示了当最大生长应变接近临界水平约β＝0.2时，从扭曲到螺旋扭曲(构型II)的转变。这种转变随着中心轴偏离直线和冯米塞斯有效应力的不均匀分布而发生(图16)。
对于生长应变的陡度变化，n＝10(参见图12B)，鞍形弯曲构型变得比扭曲能量上更有利，如图12E中所示。这主要是由于在较高的n值下差异性生长主要集中在叶子的边缘区域。因此，扭曲在内部区域中引入了显著的面内应力和高应变能。在低生长应变下，叶子生长成鞍形(构型III)。生长应变的进一步增加导致起伏的波纹图案的出现。最后，边缘区域中的弯曲与内部中的拉伸之间的竞争导致边缘波纹(构型IV)。我们的模拟(图12F)表明边缘波纹的波长随着最大应变水平的增加而减小，并且遵循以下幂律关系：λ～β-0.2。图12E中的应力等值线显示最高的流体静应力水平出现在边缘波纹的波峰和波谷处，并且流体静压力随着最大生长应变的增加而增加。
通过参数化模拟，我们开发出了生长叶子的形态发生的相图。图13示出了不同形态发生构型(I、II、III和IV)的参数空间(n,β)。将由活叶子测量的实验结果叠加为相图上的数据点。注意到不同区域之间的边界是近似的。特别地，在鞍形弯曲(构型III)与边缘波纹(构型IV)区域之间，模拟示出了沿着长度方向的具有扭结结构的宽过渡区，如图16B中所示。从鞍形弯曲构型出现扭结是结构不稳定性的结果，伴随着中心区域中的残余应力的释放，以及突发性应变能下降，如图16B中所示。然而，在较高的最大应变β和较高的n值下，该扭结过渡区提供了到边缘波纹区域的方式。
尽管模拟生成的相图的总体趋势与来自活叶子的测量相符，但在细节上存在一些明显的差异。我们的模拟预测当β≈0.2时，扭曲叶子转变成螺旋扭曲构型。然而，来自扭曲的变叶木“马梅(mammy)”叶的测量表明，在较高的最大生长应变下发生这种转变(一个叶甚至具有β≈0.7的最大应变)。这种明显的差异可以通过考虑变叶木“马梅”叶中的硬中脉而容易地被合理化。如图12C中所示，从扭曲到螺旋扭曲的变化需要中心线的弯曲，因此对于硬中脉需要更大的驱动力。因此，在硬中脉的存在下，预期在大得多的最大生长应变下发生扭曲到螺旋扭曲的转变。类似地，在蕨树叶中的硬中脉的存在使为何从边缘波纹叶获得的数据点落入“中间状态”区域内合理化。
利用前述力学在植物形态发生中的作用的定量知识，我们现在探索在工程化系统中此类过程和形状的合成再现。我们凭借我们开发的聚丙烯酰胺(PA)水凝胶，其中我们控制氧浓度以调节PA水凝胶的聚合。如图14A中所示，氧气从周围空气扩散到凝胶溶液中防止液体-空气界面附近中的凝胶化。在远离液体-空气界面的区域中的聚合消耗游离单体和交联剂，产生游离单体和交联剂的浓度梯度，并且驱使它们从非凝胶化区域扩散到聚合的水凝胶网络中。因此，连续聚合导致凝胶化后区域的连续生长。
我们通过引入几何约束来诱导水凝胶的差异性生长。此类约束的实例是平行于反应室的中心线放置的绳(例如棉丝)。该丝是相对不可延伸的，并且对水凝胶片的平面外弯曲变形施加有限的阻力。因此，随着边缘的生长，丝附近的水凝胶的局部生长被抑制，从而产生与等式(1)给出的相似的生长应变分布。可以通过调节试样内约束线的位置和刚度来控制生长分布。如图14A中所示，当我们引入一对间隔2α0W的距离的棉丝时，改变的生长应变分布可以近似为：
Figure BDA0002537693950000261
当|y|≥α0W。如图14B中所示，增加间隔距离基本上等于增加n的值。实验上难以量化指数的精确值。然而，在丝的存在下水凝胶的构型表明，当沿着中心线放置单个绳时，该值接近于n＝2。图11A显示水凝胶自然地生长成扭曲构型(I)，并然后在较高应变水平下转变成螺旋扭曲(II)。
也可以通过控制约束件的度数和位置来工程化其它植物形态发生构型。图11B显示，当放置一对间隔距离为0.68W的约束丝时，由聚合引起的差异性应变错配将水凝胶转变成鞍形弯曲形状(III)。进一步溶胀水凝胶导致具有波纹边缘的构型(IV)。
本技术的独特特征在于由氧浓度控制的连续聚合过程，尽管在化学上和机械上不同，但接近地模仿了由生长因子水平控制的植物的细胞生长过程。以下描述的实施例6表明，通过适当设计约束，我们的技术能够模仿植物叶子和花的形态发生。
在以下非限制性实例中提供了本发明的其它方面和实施方式。
制备1
玻璃表面活化
为了活化玻璃表面，使用等离子体清洁器(Harrick Plasma)在高功率水平(18W)下等离子体处理盖玻片1min，然后在4％3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS；Sigma-Aldrich)的异丙醇中温育30min，并然后在1％的戊二醛溶液(Alfa Aesar)中温育30min。使用具有各种数目的分支结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具来限定暴露于戊二醛溶液的玻璃表面，产生选择性官能化的图案。
制备2
反应室构造
在本文讨论的反应中，反应室可以是玻璃盖玻片上的PDMS环的组件，或者可以是基于相同技术的不同形状。因此，虽然以下涉及形成以圆柱体形式的反应室，但应理解，可以使用类似的技术形成其它形状和尺寸的反应室。
为了制备用于制备PDMS环的模具，使用激光切割器(Epilog Laser)从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出期望的图案，并然后使用两组分环氧树脂(Gorilla Epoxy；GorillaGlue Inc.)将其胶黏在陪替氏培养皿的底表面上。通过将碱与固化剂(Sylgard 184；DowCorning)的10:1重量混合物倾倒进入模具，制备PDMS环。在65℃下固化2h之后，将得到的交联的PDMS环小心地从模具中取出，并且在温和的压力下组装到玻璃盖玻片上。玻璃盖玻片可以具有未活化的表面或可以具有活化的表面，如制备1中所述制备。
当使用时(如以下实施例中明确指出的)，使用等离子体清洁器(Harrick Plasma)在高功率水平(18W)下进行等离子体处理1min，并且相同的设置用于本文进行的所有等离子体处理。
可以用等离子体处理反应室。在以下实施例中，仅出于以下目的需要等离子体处理：
1.为了操纵表面疏水性。等离子体处理将使壁更亲水。
2.为了在实施例中化学活化底表面(即玻璃盖玻片)。在4％APTMS的异丙醇中温育之前进行等离子体处理。
如说明书中所指出的，设想了等离子体处理的其它用途。
测量1
接触角测量
使用ramé-hart接触角测角仪(ramé-hart instrument co.)测量凝胶溶液与PDMS表面之间的接触角。凝胶溶液是10％丙烯酰胺和0.1％双丙烯酰胺(AMRESCO)在去离子水中的混合物(规定的百分比是指重量百分比，并且是基于整体上的总凝胶溶液计算的)。为了制备PDMS基底，将碱与固化剂的10:1重量混合物(Sylgard 184；Dow Corning)充分混合、脱气，并且在65℃下固化2h。在测量期间，使用微量移液管将凝胶溶液的小液滴放置在平的PDMS基底上，而内置照相机系统同时记录液滴分布，根据液滴分布在DROPimage软件(ramé-hart instrument co.)中自动计算瞬时接触角。凝胶溶液液滴的体积从1μL逐渐增加直到接触角开始减小。最大平衡接触角用作凝胶溶液与PDMS基底之间的默认接触角。对有和没有等离子体处理的PDMS基底均进行测量。
得到的润湿角在图1中示出。当PDMS反应室使用疏水表面(即未处理的PDMS)时，润湿角为θ＝107.5±1.7°。等离子体处理将PDMS表面从疏水转变为亲水，并因此将弯月面形状从凸面转变为凹面，从而提供θ＝14.3±1.0°的润湿角。
计算1
弯月面形状和O2分布预测
对于给定体积的凝胶溶液，我们使用开源SE-FIT软件数值预测了圆柱形室内部的表面轮廓。预先构建的Z圆柱形容器用于实验测量接触角。在表面张力γ＝0.072N/m和重力加速度g＝9.8m/s2下获得的平衡表面轮廓从SE-FIT导出，并且在商用软件ABAQUS(Dassault Systèmes(2014)ABAQUS Documentation(Dassault Systèmes,Providence,RI)，版本6.14)中重构以模拟氧扩散的动力学。我们将O2扩散建模为等效轴对称的热传导问题。氧气在凝胶溶液内部的扩散率(D＝8×10-6cm2/s)(Hepworth SJ,et al.,(1999)Phys.Med.Biol.44:1875–1884)转化为等效热扩散率。出于以下原因，可以忽略PDMS侧面的氧扩散，并因此其在我们的模拟中不考虑。首先，在PDMS中的O2的扩散率与在凝胶溶液中的O2的扩散率相当(Markov DA,et al.,(2014)Biomed.Microdevices 16:91–96.)，但PDMS壁的厚度比凝胶溶液的高度大一个数量级。此外，等离子体处理在PDMS表面上产生二氧化硅层，这进一步显著限制了O2的扩散。四节点轴对称对流/扩散四边形单元用于模拟。
通用程序1
PA水凝胶的聚合
在聚合之前，将凝胶溶液(包含10％丙烯酰胺和0.1％双丙烯酰胺于去离子水中。百分比是指重量百分比，并且是基于整体上的凝胶溶液计算的)在真空干燥器中脱气至少30min以完全去除溶解的氧。然后通过将四甲基乙二胺(TEMED；Teknova)和过硫酸铵(APS；Promega)以最终浓度分别为0.3％和0.05％引入凝胶溶液中来引发聚合(对于TEMED，百分比为体积百分比；对于APS，百分比是重量-体积百分比。两者均基于添加这些组分之前的凝胶溶液)。将所需体积的凝胶溶液立即吸移至所需聚合室中，轻微搅拌，以避免引入氧气。然后使溶液反应3h(在3h之后预期不会进一步生长，因为聚合通常在1至2小时内完成)，然后用食品染料溶液置换未聚合的溶液，以出于成像目的将聚合的水凝胶染色。在聚合完成之后拆卸反应室以释放水凝胶结构。该拆卸步骤仅适用于其中通过在玻璃盖玻片上组装PDMS结构来构造反应室的情形。
在本文进行的所有实验中，我们有意地允许凝胶溶液在敞开式条件下聚合，而不是防止凝胶溶液暴露于O2。在该条件下，聚合是如图2A中所示的动态反应-扩散过程。周围空气在液体-空气界面处保持恒定的O2浓度(c0＝20.9％vol/vol)。当在引入催化剂和引发剂之前完全去除溶解O2时，一旦引发聚合，浓度梯度就会驱动O2从液体-空气界面连续扩散到凝胶溶液中。该过程通过液体-空气界面附近的累积的O2导致聚合物链生长的终止。然后，可见的凝胶化可能仅在远离界面的区域中。
在表1中概述了反应方案。通过将引发剂APS和催化剂TEMED添加到凝胶溶液中来引发单体丙烯酰胺与交联剂双丙烯酰胺的共聚。TEMED加速了从APS形成初始自由基的速率。在TEMED的存在下由APS产生的自由基(即，硫酸酯和羟基自由基)将丙烯酰胺单体转化成新的自由基，其进一步与未活化的单体反应，有效地增长聚合物链。虽然当两种自由基物质相互反应形成较长链时发生正常的链终止，但自由基也可以被溶解氧消耗，其将强自由基转化为反应性低得多的过氧自由基。过氧自由基的反应性不足以继续聚合物链生长。
表1.PA水凝胶的反应方案
Figure BDA0002537693950000311
实施例
实施例1
通过等离子体处理对圆柱形聚二甲基硅氧烷(PDMS)反应室的表面疏水性进行改性，以证明如何策略性地控制O2浓度以在形成的水凝胶中产生所需的形状。
反应室内的凝胶溶液的弯月面轮廓可以用开源表面演变流体界面工具(SurfaceEvolver-Fluid Interface Tool，SE-FIT)预测(Chen Y,et al.,(2011)I Proceedings49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum andAerospace Exposition(American Institute of Aeronautics and Astronautics,Orlando,FL),2011–1319)并且用于估计聚合期间O2的分布(参见上述计算1)。
通过在一片玻璃盖玻片上组装PDMS环来构建用于制造盘C1-C3(如图2中所示)的每个反应室。遵循制备2中详细描述的方法，通过在丙烯酸模具中复制模塑来制备PDMS环，该丙烯酸模具通过从6.35mm厚丙烯酸片材上激光切割圆形图案(直径为22.2nm)并且使用两组分环氧树脂胶黏到陪替氏培养皿的底表面上来制备。在将凝胶溶液引入反应室之前，使用制备2中详述的设置对用于制造盘C2-C3的反应室进行等离子体处理1min。然后，通过遵循通用程序1中的步骤引发聚合。吸取到用于制造盘C1-C2和C3的反应室中的凝胶溶液的体积分别为700μL和800μL。
如图2B中所示，PDMS反应室的疏水表面(润湿角θ＝107.5±1.7°，图1)引起在室底部的中心处的O2耗尽，导致形成盘状水凝胶(图2C1)。等离子体处理将PDMS表面从疏水转变为亲水(θ＝14.3±1.0°，图1)，并因此将弯月面形状从凸面改变为凹面。尽管反应室具有由玻璃制成的基底，但凝胶溶液与PDMS壁之间的界面决定了弯月面轮廓。玻璃基底总是被凝胶溶液完全覆盖。亲水性PDMS表面引起在室的角落处的O2耗尽，形成环形的水凝胶(图2C2和2C3)。O2浓度的简单扩散模拟(图2B)允许我们预测盘到环的转变(图2C)，并且预测环壁宽度随着凝胶溶液初始体积的增加而增加。预测的环壁宽度与实验结果吻合良好(图2D)。
我们还注意到PA水凝胶的聚合以受益于其多孔结构的独特生长模式进行。如图2A中所示，在凝胶化区域(在虚线的左侧)中的单体和交联剂的共聚导致了游离单体和交联剂的浓度梯度，从液体-空气界面附近的高浓度到交联的水凝胶内的低浓度。受益于其多孔性质，游离单体和交联剂能够从液体凝胶溶液区域扩散到交联的水凝胶网络中。同时，如前所述，水凝胶内的O2浓度也是低的，因此促进凝胶化后区域中的连续聚合。这种独特的生长模式通过水凝胶环由于其持续生长被反应室限制而出现屈曲得到证明(图3)。图2C显示，一旦将聚合的水凝胶从反应室取出，水凝胶盘的半径和水凝胶环的半径将大于反应室尺寸(反应室尺寸由白色虚线圆圈表示)。值得注意的是，水凝胶的这种内部生长模式本质上不同于晶体生长的模式，在晶体生长期间新的组成原子、分子或离子被添加到有序晶格的外表面。事实上，这种生长模式更类似于通过细胞增大和分裂的活组织生长。在活组织生长期间，生长因子指示从可用的营养素合成新的生物质，而在水凝胶生长期间，O2浓度调节凝胶化速率。另一方面，单体和交联剂的扩散类似于营养素的转运。
实施例2
组织形态发生的仿生学
通过成功地复制在植物和动物两者的组织形态发生期间存在的复杂形状，我们进一步证明了我们的水凝胶连续聚合方法与几个生物过程之间的相似性(图4)。
制备方案
对于图4C：
从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出矩形图案(长度：34.09mm；宽度:11.35mm)，并且胶黏到培养皿的底部上。通过复制模塑丙烯酸模具来制备具有矩形孔的PDMS结构，并且通过将PDMS结构组装在玻璃盖玻片的顶部来制备反应室(参见制备2)。在制备2中描述的额外程序之后，进行等离子体处理以将PDMS壁从疏水改变为亲水。如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将700μL的凝胶溶液立即引入反应室中，并且使其反应长达3小时。在实验结束时形成矩形水凝胶环。将长边切开将导致水凝胶向内弯曲。
对于图4E和图4F：
从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出卵形图案(长轴：33.32mm；短轴:16.66mm)，并且胶黏到陪替氏培养皿的底部上。通过复制模制丙烯酸模具来制备具有卵形孔的PDMS结构，并且通过将PDMS结构组装在玻璃盖玻片的顶部来制备反应室(遵循上文制备2中描述的方法)。如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将700μL的凝胶溶液立即引入到反应室中，并且通过紧固到折叠的金属线的两个支架(金属线除了其支架之外不与溶液接触)迫使棉丝浸没在凝胶溶液之下。使聚合发生长达3小时。在将水凝胶从反应室取出并且切开金属线之后，形成叶状水凝胶结构。
对于图4H：
从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出圆形图案(直径:22.2mm)，并且胶黏到陪替氏培养皿的底部上。通过复制模塑丙烯酸模具来制备具有圆形孔的PDMS结构，并且通过将PDMS结构组装在玻璃盖玻片的顶部来制备反应室(遵循上文制备2中描述的方法)。在制备2中描述的额外程序之后，进行等离子体处理以将PDMS壁从疏水改变为亲水。如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将800μL的凝胶溶液立即引入反应室中，并且将圆形金属线放置在凝胶溶液之下。在聚合结束时形成起伏的波纹状水凝胶图案。
以与图4C类似的方式产生图5。唯一的差别是反应室的形状。使用圆形反应室(直径：22.2mm)来制造图5中的水凝胶。
讨论
i)响应于重力或阳光方向的变化的植物茎的定向弯曲是局部化学物质(在这种情况下，生长素)如何调节组织形态发生的良好实例。在向重力性下，茎的内胚层中的细胞中的平衡石(致密细胞器)的沉降激活了将生长素转运至茎的下部的机械敏感性信号传导途径。增强的生长素浓度局部促进茎生长。
因此，茎的上部与下部之间的差异性生长导致茎的向上弯曲(图4A)。在我们的水凝胶聚合实验中，O2调节反应速率，导致水凝胶结构的差异性生长诱导的定向弯曲。如图4B以卡通形式所示，在矩形室中形成的矩形水凝胶环由O2浓度梯度调节，从靠近内侧(暴露于周围空气)的高浓度到靠近外侧(靠近室壁)的低浓度。因此，聚合速率在外侧附近较高，导致外侧上的残余压缩应变，而在内侧上产生拉伸应变(图4B)。
通过我们的实验结果证实了这一假设(图4C)，当通过切开水凝胶来减轻机械约束时，发生朝向内侧的定向弯曲。在图5中示出了圆形水凝胶环的类似观察结果。
ii)单个组织内的材料异质性用作在活组织中产生差异性生长的催化剂。在这种差异性生长期间，生长相对较慢的区域对生长发生较快的区域施加机械约束。例如，缓慢生长的中脉与快速生长的边缘之间的叶子的生长速率差异导致鞍形构型的出现，如图4D中所示。
为了模仿这种现象，我们沿着椭圆形室的长轴引入了软棉线(图4E)。由软线施加的几何约束有效地抑制了线附近的局部水凝胶生长，而远离线的区域经历连续的内部生长。如图4F中所示，在将水凝胶从反应室取出之后形成了鞍形构型。
iii)另一个实例是哮喘患者的人呼吸气道的形态发生。与正常气道相比，哮喘患者的气道经历了显著的结构重构，包括肿胀的气道衬壁和紧缩的平滑肌约束。
如图4G中所示，在气道的最外层中的平滑肌对软气道衬壁的肿胀施加了刚性几何约束，引起气道管的收缩和起伏的图案。在我们的水凝胶实验中，我们通过使用类似于哮喘患者的刚性平滑肌层的刚性圆形线约束在内壁上产生了弯曲的波纹图案(图4H)。
实施例3
三维结构产生(1)
本方法提供了在水凝胶中产生复杂的软3D结构的方法。
用于产生图6中的形状的方案如下。为了制备用于制备PDMS环的模具，使用激光切割器(Epilog Laser)从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出直径为22.2mm的圆形图案，并然后使用两组分环氧树脂(Gorilla Epoxy；Gorilla Glue Inc.)将其胶黏在陪替氏培养皿的底表面上，然后在模具中固化PDMS以形成PDMS环。然后将PDMS环用于构造两个反应室，其包括组装在玻璃盖玻片的顶部上的PDMS环。如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将800μL的凝胶溶液立即引入到两个反应室中的每一个中，并且将具有不同直径(对于没有和具有波纹边缘的碗分别为～19mm和13mm)的圆形金属线放置在凝胶溶液之下。使聚合发生长达3小时。
图6显示，通过控制聚合和机械约束，水凝胶自组装成具有和不具有皱褶边缘的3D碗。通过将刚性圆形线浸没在凝胶溶液中来引入差异性生长。当线的存在抑制了水凝胶的局部生长时，水凝胶继续在盘的内部处和外边缘处生长。根据约束线的位置，约束线会由于差异性生长而产生残余应变，在水凝胶从反应室释放之后，可以获得具有平坦边缘(图6，上行)或弯曲的波纹状边缘(图6，下行)的碗状结构。
实施例4
三维结构产生(2)
本实施例涉及图7中所示的物理约束产品。
用于产生图7中的形状的方案如下。为了制备用于制备PDMS环的模具，使用激光切割器(Epilog Laser)从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出直径为22.2mm的圆形图案，并然后使用两组分环氧树脂(Gorilla Epoxy；Gorilla Glue Inc.)将其胶黏在陪替氏培养皿的底表面上，然后在模具中固化PDMS，如制备2中所述。然后将PDMS环组装在玻璃盖玻片的顶部上以构造反应室。以这种方式产生了六个反应室。
按照制备2的等离子体处理方案对这些反应室中的三个进行等离子体处理，以提供具有亲水侧壁的三个反应室。如通用程序1中所述，然后将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将800μL的凝胶溶液立即引入到六个反应室中的每一个中，并且将具有不同数目的支架(范围从2至4)的折叠的金属线放置到反应室中。金属线除了它们的支架之外不与溶液接触。3小时之后拆卸反应室以释放水凝胶结构。
通过控制O2扩散调节的聚合的自下而上方法和引入机械约束的自上而下方法的组合，我们已经开发了产生复杂3D结构的有力方法，如图7中所示。
实施例5
三维结构产生(3)
在聚合期间，通过水凝胶的区域差异性生长可以促进产生复杂3D结构的进一步策略。这可以通过化学活化反应室的底表面(或全部或部分的任何其它表面)以增强其对水凝胶的粘附来实现(例如，如上文制备1中所述)。
在本实施例中，活化区域的特征在于醛基基团的层，其可以与PA水凝胶中的游离胺基团形成共价键。水凝胶与化学活化的底表面之间的强粘附有效地抑制了水凝胶的内部生长(图8)。
以下提供了用于产生图8中的形状的方案。
对于图8A:
如制备2中所述，从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出圆形图案(直径：11.1mm和16.7mm)，并将其胶黏到陪替氏培养皿的底部上，并且通过复制模塑丙烯酸模具来制备具有圆形孔的PDMS环。然后通过将PDMS环组装在玻璃盖玻片的顶部上来制备四个反应室(每两个的直径：11.1mm和16.7mm)。对于图8A的上行(具有表面处理)，通过遵循制备1中所述的方案预活化用于组装反应室的玻璃盖玻片的整个区域。对于图8A的下行，反应室没有被预活化。如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。将200μL和400μL的凝胶溶液分别立即引入11.1mm和16.7mm的反应室中。3小时之后拆卸反应室。
如图8A中清晰显示，在进行预活化后的反应室中获得的聚合产物的程度(图8A的上行)显著小于没有如此处理的那些(图8A的下行)。不希望受理论束缚，据信，在水凝胶与活化的底表面之间发生强粘附，这有效地抑制了水凝胶的内部生长(由于共价键合)。
对于图8B：
如制备2中所述，从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出圆形图案(直径：22.2mm)，并且将其胶黏到陪替氏培养皿的底部上，并且通过复制模塑丙烯酸模具制备具有圆形孔的PDMS环。将PDMS环放置在第一玻璃盖玻片上，并且遵循制备2中描述的方案进行等离子体处理。然后通过将等离子体处理的PDMS结构从第一玻璃盖玻片上分离并且将其放置在第二玻璃盖玻片的顶部上来组装反应室，其中通过遵循制备1中描述的方案来活化第二玻璃盖玻片的整个区域。
如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合，并将700μL的凝胶溶液立即引入反应室中。3小时之后拆卸反应室。
如图8B中清晰显示，等离子体处理的PDMS环使得形成水凝胶环。这是因为等离子体处理使侧壁亲水，导致如图2中所示的凹形轮廓。水凝胶与活化的玻璃表面之间的强粘附抑制水凝胶的内部生长并且在拆卸反应室之后将水凝胶保持在适当的位置。
然后应用以上技术来制造更复杂的形状，如图10中所示。为了获得这些材料，使用图9中以卡通形式概述的方法，我们选择性地活化反应室的底表面，使得仅在特定区域内才可能实现水凝胶与底表面之间的强粘附。然而，应当理解，其它表面可以以相同的方式或通过使用用于该表面的相容化学来活化。图9的过程包括以下步骤。
1.从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出所需分支的图案(10)，并且将其胶黏到陪替氏培养皿(50)的底部上以提供模具(110)。将PDMS(20)倒入模具中并且固化(111)，如上文制备2中所述。将所得PDMS环(112)从模具中取出。
2.单独地，使用制备2中所述的等离子体处理程序将玻璃盖玻片(120)等离子体处理1min，然后在4％3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS；Sigma-Aldrich)的异丙醇中温育30min，以形成APTMS-活化的盖玻片(121)。将步骤1中形成的PDMS环(112)放置在APTMS活化的盖玻片(121)上。然后用1％戊二醛溶液(30)填充PDMS环中的孔并且温育30min，如(122)中所示。去除溶液和PDMS环(112)得到玻璃盖玻片(140)，其被暴露于PDMS环内的戊二醛溶液(30)的表面上的醛基团(40)选择性地活化。
3.仍然分别地，从6.35mm厚的丙烯酸片材切割出圆形图案(直径：22.2mm)，并且将其胶黏到陪替氏培养皿(50)的底部上以形成模具(150)。将PDMS倒入模具(150)中并且如(151)中所述固化以提供固化的PDMS环(如程序2中所述的方法)，将该环(152)从模具中取出并且放置在步骤2中形成的选择性官能化的玻璃盖玻片(140)上以提供反应室(160)。
4.如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合。然后将适当体积的所得凝胶溶液立即引入反应室(160)以提供170。如180中所示，水凝胶与底表面之间的强粘附仅在选择性活化的表面(即，暴露于戊二醛溶液并且因此含有醛官能团的表面)内是可能的。3h之后，去除PDMS环152产生如190中所示的3D形状(60)，其受到应用到盖玻片上的戊二醛图案的影响。
如图10中所示，生长的水凝胶与分支图案内的底表面形成共价键，用作锚定位点。在非粘附区域中的连续生长导致出平面屈曲，从而提供3D屈曲的水凝胶环结构。按照这种策略可以容易地产生更复杂的3D结构。
用于产生图10中的形状的方案基于图9中概述的和以上描述的选择性活化方法。
通过类似于以上图9所概述的选择性活化方法的步骤1和步骤2来制备分别具有三、四或六个分支的图案的三个选择性功能化玻璃盖玻片，如图10的上行所示。简言之，形成用于每个所需形状的PDMS模具，并且将其用于限定APTMS活化的盖玻片的玻璃表面，然后将其暴露于上述戊二醛溶液以产生所需的选择性官能化的图案。
如制备2中所述，从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出圆形图案(直径：22.2mm)，并且将其胶黏到陪替氏培养皿的底部，并且通过复制模塑丙烯酸模具制备具有圆形孔的PDMS环。将这些PDMS环应用到空白(即未活化的)玻璃盖玻片上，并且进行制备2中所述的等离子体处理程序，以将PDMS表面从疏水改变为亲水。将所得的等离子体处理的环从空白盖玻片上取出，并然后放置在上述活化的玻璃盖玻片中的一个上。
如通用程序1中所述，将TEMED和APS与脱气的凝胶溶液混合以引发聚合，并然后将700μL的凝胶溶液立即引入每个反应室中。3小时之后拆卸反应室。
如图10中所示，所得产品(底部子图)具有与玻璃盖玻片(顶部子图)上产生的活化表面的图案在性质上互补的图案。不希望受理论束缚，据信，在水凝胶与活化的底表面之间发生强粘附，这有效地抑制了水凝胶的内部生长(由于共价键合)。当仅活化反应室的底表面的选择的区域(例如，图10的分支图案)时，水凝胶与分支图案中的区域形成共价键。考虑到这一点，水凝胶的生长仅发生在非粘附区域中，导致在图10中的底部子图的三个3D屈曲环结构中所示的出平面屈曲。这允许设计和容易地产生更复杂的3D结构。
实施例6
获得叶子形态
根据以上制备2中概述的技术，通过将矩形聚二甲基硅氧烷(PDMS)环轻轻按压到载玻片上来构建矩形反应室。为了制备用于制备PDMS环的模具，使用激光切割器(EpilogLaser)从6.35mm厚的丙烯酸片材上切割出矩形图案，然后使用两组分环氧树脂(GorillaEpoxy；Gorilla Glue Inc.)将其胶黏在陪替氏培养皿的底表面上。在制备2中提及的条件下使用碱与固化剂的10:1重量混合物(Sylgard 184；Dow Corning)制备PDMS环。然后将所得固化的PDMS应用到玻璃盖玻片上以形成反应室，又如制备2中所述。
在引入到反应室中之前，将10％丙烯酰胺和0.1％双丙烯酰胺的水凝胶溶液(Amersco)在真空干燥器中脱气30min以完全去除溶解氧，并且将用水凝胶溶液预润湿的棉线放置到反应室中作为引入差异性生长的方式。矩形反应室的尺寸为34.09mm长和11.35mm宽。将线放置在反应室的中间，用于制造图11A中的结构，同时将一根线放置在中间，并且将另两根线每侧放置一根，间隔距离为7.7mm，用于制造图11B中的结构。该线是用铜线松散缠绕的棉丝。目的是使用铜线以防止棉丝漂浮到凝胶溶液的顶部。同时，铜线对水凝胶的变形引入了最小的抗弯强度。线没有被锚定到任何地方。是铜线的重力迫使棉丝保持浸没在凝胶溶液中。然后通过将四甲基乙二胺(TEMED；Teknova)和过硫酸铵(APS；Promega)以最终浓度分别为0.3％和0.05％引入进凝胶溶液中来引发聚合。将所需体积的凝胶溶液立即以最小的干扰吸移至聚合室中以避免引入氧气。在拆卸反应室以释放水凝胶结构之前，使溶液反应1h。
图11显示：
(A)用沿着本实施例中使用的类型的矩形反应器的中心线的单个约束点形成的水凝胶自然地生长成扭曲构型(I)，并然后在较高应变水平下转变成螺旋扭曲(II)。通过添加染色的水以使水凝胶溶胀来诱导更高的应变水平。聚丙烯酰胺水凝胶的溶胀在数小时后达到其最大水平。使水凝胶溶胀过夜以确保溶胀过程完成。使用的水的量需要能够完全覆盖水凝胶；以及
(B)以间隔距离为0.68W放置一对约束丝，通过聚合引起的差异性应变错配将水凝胶转变成鞍形弯曲形状(III)。具体地，线是用铜线松散缠绕的棉丝。在该装置中使用三根线，其中一根线沿着中心线，并且另外两根线在每一侧放置一根，与中心线的距离为0.34W。进一步溶胀水凝胶导致具有波纹边缘的构型(IV)。根据(A)中提及的使水凝胶溶胀的程序，通过添加染色的水来诱导更高的应变水平。

Claims (25)

1.一种由水凝胶聚合溶液形成三维结构的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将水凝胶聚合溶液放置在反应容器中，其中所述水凝胶聚合溶液包含溶剂、聚合引发剂和：
单体、聚合物或低聚物和与所述单体、聚合物或低聚物化学相容的交联剂；和/或
适合于在暴露于所述聚合引发剂时自交联的聚合物或低聚物；以及
(b)使所述水凝胶聚合溶液在环境温度下不经混合反应一段时间，同时通过反应溶液/聚合调节剂界面将聚合调节剂引入所述反应溶液中，其中
在反应时间段内，在所述反应溶液中建立调节效应梯度，其中所述调节效应在所述反应溶液/聚合调节剂界面处具有最大值，并且在距所述界面最远的点处具有最小值，其中：
(i)在步骤(a)中向所述反应容器中添加一个或多个亲水性物理约束构件，其中所述亲水性物理约束构件在步骤(b)中在直接接触或邻近所述亲水性物理约束构件的区域中减少聚合物的生长；和/或
(ii)所述反应容器具有表面并且所述表面的一个或多个区域用化学约束材料处理，所述化学约束材料通过与生长的聚合物材料形成共价键而减少或完全抑制在步骤(b)中在如此处理的所述表面的每个区域上或邻近处的聚合物的生长。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应容器具有疏水表面，并且所述表面的一个或多个区域被改性以提供亲水表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应容器具有亲水表面，任选地其中所述表面的一个或多个区域被改性以提供疏水表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合调节剂是所述水凝胶聚合的化学调节剂，并且所述调节效应梯度是所述化学调节剂的浓度梯度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述化学调节剂是选自氧、醌、苯酚、含硝基的芳香族化合物、含亚硝基的芳香族化合物、碘或硫的组中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述化学调节剂是氧。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合调节剂是高于或低于所述聚合溶液的初始环境温度至少10°C的温度，并且所述调节效应梯度是温度梯度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述单体选自丙烯酰胺、衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸、甲基丙烯酸酯和甲基醚甲基丙烯酸酯的组中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的方法，其中适合于在暴露于聚合引发剂时交联的所述聚合物或低聚物选自由聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)、低聚(乙二醇二丙烯酸酯)和低聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)组成的组中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的方法，其中用于与交联剂反应的所述聚合物或低聚物选自低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯或聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述交联剂在存在时选自双丙烯酰胺、双丙烯酸酯和双甲醇化物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在所述水凝胶聚合溶液中，所述单体、聚合物或低聚物：交联剂的重量：重量比为10:1至500:1 w/w。
13.根据权利要求1所述的方法，其中由所述水凝胶聚合溶液形成的水凝胶选自由聚丙烯酰胺、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸)、聚(衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-衣康酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸-co-丙烯酰胺)、聚(乙二醇二丙烯酸酯)、聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)和聚(低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯-co-2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯)组成的组中的一种或多种。
14.根据权利要求1所述的方法，其中每个亲水性物理约束构件独立地是丝、线或其组合。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学约束材料为所述反应容器的所述表面区域提供了选自醛、硫醇或丙烯酸酯的官能团。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应容器由玻璃和聚合物材料中的一种或多种形成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述聚合物材料是聚二甲基硅氧烷。
18.根据权利要求16所述的方法，其中由玻璃基底形成所述反应容器的底表面，并且由聚二甲基硅氧烷形成一个或多个反应容器壁。
19.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的产物进一步与水进行水合以形成最终的水合产物。
20.根据权利要求1所述的方法，其中获得的产物具有模仿生物组织的三维形状的三维形状。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述三维形状模仿血管、植物茎、叶和肺组织。
22.根据权利要求1所述的方法，其中在所述水凝胶聚合溶液中，所述单体、聚合物或低聚物：交联剂的重量：重量比为50:1至250:1 w/w。
23.根据权利要求1所述的方法，其中在所述水凝胶聚合溶液中，所述单体、聚合物或低聚物：交联剂的重量：重量比为75:1至150:1 w/w。
24.根据权利要求1所述的方法，其中在所述水凝胶聚合溶液中，所述单体、聚合物或低聚物：交联剂的重量：重量比为100:1 w/w。
25.通过如权利要求1至24中任一项所述的方法获得或可获得的产物。
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