浙江大学孙琦教授《自然·通讯》：人造热感皮肤来了！COF纳米流控膜作为高灵敏仿生热感觉平台的研究

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感知温度对生物体维持正常的生命活动至关重要。在哺乳动物中，热刺激通过热敏感受器(thermo-TRP)离子通道转化为电化学电位，然后通过神经细胞转化为动作电位，如疼痛感的产生。从仿生学角度出发，在体外模拟热信号的传导，设计恰当的纳米通道将化学信号转化为电信号，或是在人工系统中植入热活性分子来调节热感觉，设计仿生“温度计”，是科学家们长久以来的研究热点。此外，实现可逆的热响应性，并且只在温度达到热转变温度时起作用，将温度响应限制在微小范围内成为了研究难点。

浙江大学孙琦教授团队联合北德克萨斯州大学马胜前教授团队创造性地制备了一种基于离子共价有机框架(COF)的纳米流控膜，它能够智能地监测温度变化，并以连续电位差的形式显示出来。亚纳米通道存在高密度的电荷位点，使得膜层具有高选择性和高达1.27 mV K^-1的热感觉灵敏度。该系统还具有良好的耐盐性，工作温度宽，对温度刺激的同步响应，以及长期超稳定性的优势。该研究以题为“Covalent organic framework nanofluidic membrane as a platform for highly sensitive bionic thermosensation”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

【COF流控膜的构建】

纳米流体传质公式帮助我们更好地理解和模拟生物膜孔的功能。根据这个方程，对温度变化的热电响应可以表示为电势的连续变化，这与在自然界中观察到的情况一致。可以推断，在其他条件下相同的情况下，纳米流体器件的阳离子选择性是一个关键参数，以产生显著的电位差响应和温度变化。膜孔径是决定膜选择性的关键因素之一;只有当内径小于溶液电双层厚度时，它才能起到有效的离子屏蔽作用。因此，为了提高热感觉性能，开发能够同时控制孔径和固定电荷位置的膜孔结构是非常重要的。二维COFs以其可设计的通道成为了最佳候选者。此外，二维薄片在三维π-stacking的驱动下，可以叠加产生三维膜，从而提供具有纳米孔的直接透过通道。COFs是构建纳米流控膜装置的理想材料。

图1作为仿生温度计的离子共价有机框架纳米流控膜

高离子密度有利于产生单极离子环境，而德拜屏蔽长度是取决于溶液离子强度的特征长度(离子强度越高，德拜长度越小)。因此，COF孔径越小、荷电密度越高，选择性更好。为了模仿thermo-TRP离子通道，选用1,3,5-三甲酰基间苯三酚(Tp)与盐酸三氨基胍(Tag)缩合成的COF作为纳米流控系统（Fig.2a,b）。

图2 (a)通过Tp和Tag的缩合合成Tp Tag-COF。(b) Tp Tag-COF的堆叠结果 (blue, N;灰色,C；红色;O；白色,H;绿色,Cl)。c Tp Tag-COF/PAN示意图及SEM图。

【膜的制备和表征】

作者采用酸催化界面聚合法制备了COF基膜。PAN作为支撑层，因为它是亲水的，带负电荷，可以降低阳离子的跨膜能量。在PAN表面有机相一侧形成了黄色的薄膜，即为COF纳米薄膜。扫描电子显微镜图显示光滑、无裂纹、连续的薄膜表面，厚度为~100 nm。通过衰减全反射红外(ATR-IR)分析证实了COF膜的β-酮烯胺结构的成功形成。在1 mM KCl (pH ~7)的环境下，Tp Tag-COF/PAN膜和PAN 膜的zeta电位分别为40.88 mV和51.1 mV。对自支撑Tp Tag-COF膜的粉末做x射线衍射，结果表明在~11°和~28°的2θ值处有两个相对宽的峰，分别对应于(100)和(001)晶面。为了阐明COF骨架的组成，利用Materials Studio进行了理论模拟，其c轴孔径为0.8 nm。

为了测定Tp Tag-COF/PAN的选择性，对不同KCl浓度范围下的逆转电位进行了评估。选择KCl是因为K⁺和Cl^-的迁移率非常相似。当cis/trans = 1 mM/0.1 mM、10 mM/1 mM和100 mM/10 mM KCl水溶液时，电流-电压曲线的X轴截距(Vr)给出了57.9、55.8和43.4 mV的逆转电位（图3a,cis是指活性COF膜表面）。在100 mM/10 mM NaCl、LiCl、MgSO₄浓度梯度下，计算出Na⁺/Cl^-、Li⁺/Cl^-、Mg²⁺/SO₄^2-透过率比（选择性）分别为10、8、3.5。选择性的差异可以用不同的离子扩散速率来解释。为了进一步了解离子的输运行为，作者进行了分子动力学(MD)模拟。Tp Tag-COF层被KCl水溶液和去离子水夹在中间。如图3所示,表明只有水分子和K⁺可以移动,从而证实了K⁺透过率高于Cl^-。

图3 (a) Tp Tag-COF/PAN(黑色，1/0.1 mM;绿色,10/1mM;橙色,100/10 mM KCl溶液)。（b）van der Waals表面静电势(ESP)和各ESP范围内的面积百分比。ESP的有效表面局部极小值和极大值分别用红色和蓝色球体表示，并用数字标记。（c）TpTag-COF亚纳米通道的离子输运行为示意图。MD模拟表明，Tp Tag-COF/PAN膜的K⁺透过率高于Cl^- (紫色，K;绿色,Cl;红色,O;白色,H;灰色,Tg Tag-COF层)。

【膜的热电响应表征】

作者进一步研究了Tp Tag-COF/PAN的热电响应性。膜被放置在渗透室的两个温度控制室之间。温度梯度控制在~10 K。热刺激驱动离子移动，在膜的边界处产生电位差并记录。采用热电偶实时监测两室温差，Ag/AgCl电极检测开路电压(V_oc)。离子选择透过性依赖于溶液浓度;因此，首先评估了KCl浓度对Tp Tag-COF/PAN热电响应性能的影响。为了研究热感觉的敏感性，在两个腔室中填充了0.5~100 mM范围内的KCl水溶液，并观察到相似的随时间变化的趋势(图4a)。为了突出COF的连续规则孔道的作用，作者比较了由1,3,5-苯三羰基(Bt)在PAN上缩合合成的Bt Tag/PAN膜与Tp Tag-COF/PAN的热感觉敏感性（补充材料）。

图4 Tp Tag-COF/PAN在不同浓度的KCl水溶液（0.5~100 mM)中的热响应性能。

【制备可穿戴温度传感器】

基于这些结果，作者探索了Tp Tag-COF/PAN在设计具有热感觉能力的可穿戴设备中的潜力。作为一个传感器，膜被放置在浸入KCl溶液(1 mM)的碳布之间。通过简单加热或冷却一块碳布来诱导温度梯度，并使用上述方法进行测量。由此产生的电位变化由Ag/AgCl电极检测。当系统恢复热平衡后，施加另一个温度梯度来检测动态电位变化。图5显示了热感觉系统的实时输出电位响应，证明了其灵敏度和重复性。此外，输出电位响应不同温度梯度的变化幅度也有明显差异。总的来说，所开发的热感觉系统在可穿戴温度传感器的设计上显示出巨大的应用潜力。

图5 （a）设计具有热感觉能力的智能纺织品的示意图。(b)实时测量电位的变化，对应施加的温度梯度(红色，加热;灰色、加热/冷却;蓝色,冷却)。

总之，作者制备了COFs膜作为高效热传感器，利用膜的离子选择透过性，证明了COF亚纳米通道可以模拟在自然界中观察到的热响应离子通道。作者表示基于这项研究结果，目前正在开发一种能够检测环境温度的人造皮肤。这项工作在热敏反应器件的发展中迈出了重要的一步。

来源：高分子科学前沿

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