Adv. Mater.：通过刺激响应构建模块来执行逻辑操作

【引言】

自从de Silva等人建立了开创性研究“化学逻辑门”以来，研究人员已经制造了许多不同类型的“化学逻辑门”：分子（或大分子）检测和分析一个或多个输入信号（例如，化学物质）并产生逻辑输出。目前，化学逻辑门已经广泛应用于信息技术、存储器设备、小物体的大规模识别、分子锁、微流体、诊断、光动力学治疗、前药激活和递送等领域。化学逻辑门可以接受多种类型的刺激作为输入（例如，光或化学物质）并执行等效于多个基本逻辑门的组合的高级功能阶段。这些高级操作包括顺序逻辑操作、半加法器、半减法器和多路复用器等。目前构建化学逻辑门的一般方法是通过化学合成可以执行逻辑功能的分子，但是这种方法具有很大的局限性。首先，进行高级操作的能力受到化学合成分子的极大限制；其次，分子或大分子可以检测的外部输入类型的数量通常限于两个或三个；最后是逻辑门之间的连接，对于许多化学逻辑门，它们不能被集成，因为一个逻辑门的输出与另一个逻辑门的输入不兼容。刺激响应水凝胶是一类在外部刺激的影响下可以膨胀或收缩的大分子，其能响应的外部刺激范围广，因此使用水凝胶用于制造逻辑门的系统是一个不错的方法。

【成果简介】

最近，新加坡国立大学Siow Ling SOH助理教授（通讯作者）等人通过将不同类型的刺激响应水凝胶组合来制造不同类型的逻辑门。水凝胶在外界刺激下改变它们的形状，虽然水凝胶响应不同类型的刺激，但它们的输出是相同的，即水凝胶的尺寸的变化是相同的，因此，可以容易地集成逻辑门。此外制备了具有能够分析（或诊断）不同刺激并且通过逻辑门控制化学品（或药物）释放的正常药物片剂（即，“智能片剂”）的尺寸的独立系统。该成果以“Performing Logical Operations with Stimuli-Responsive Building Blocks”于3月1日发表在Advanced Materials顶级期刊上。

【图文解读】

图1 使用刺激响应水凝胶设计YES门和NOT门示意图

输入0表示水凝胶收缩时的状态，输入1表示水凝胶膨胀时的状态。输出0表示染料正常释放的状态，输出1表示当通道被阻塞并且没有染料释放时的状态。 图示说明a）是门，和c）非门的方案；b）“是”门和d）“非”门的不同状态的简化表示，以及真值表；底部的图像显示出了在不同状态下实验制造的各个逻辑门。用于阻塞通道的聚合物片（聚二甲基硅氧烷，PDMS）为了清楚而被染成蓝色。红色表示染料被释放。

在符号中，水凝胶收缩时的状态分配0的输入，并且当水凝胶膨胀时的状态的输入为1。当染料通过通道正常释放时，我们分配0的输出；当染料没有释放时，我们分配输出1。首先通过使用pH响应水凝胶制备YES逻辑门来证明我们的方法（如图1a）。当水凝胶暴露于pH 2的溶液时，其收缩（输入0），并且染料通过通道（输出0）释放。在pH 12下，水凝胶膨胀（输入1），并向通道推动聚合物薄膜（厚度为50μm；聚二甲基硅氧烷，PDMS）因此，通道被阻塞并且染料没有扩散出其储存器（输出1）。该过程是可逆的：当水凝胶收缩（膨胀后）时，弹性聚合物膜返回其非拉伸状态，并且染料再次释放。通过用具有如图1c所示的几何形状的聚合物块（PDMS）替换薄聚合物膜（即阀）来制造NOT门。 在这种情况下，我们使用温度响应水凝胶。 在40℃，水凝胶收缩（输入0），并且该片PDMS阻断通道；因此，染料没有释放（输出1）。 在4℃，水凝胶膨胀（输入1）。 这种扩张推动了一块聚合物远离通道并允许染料释放（输出0）。

图2外部刺激的逻辑门的设计示意图

a）OR和AND门以及d）NAND和NOR门的设计的方案；

b）OR门；              c）AND门；               e）NAND门；

f）NOR门的简化表示，真值表和实验图像。

图2为用于制造OR，AND，NAND和NOR门的方法。其设置包括两个刺激响应水凝胶； 它们中的每一个响应不同的刺激（图2a）。在实验中，使用pH响应水凝胶和温度响应水凝胶。对于OR门，两个水凝胶彼此相邻放置（图2b）。当任何（或两者）水凝胶在任一种（或两种）刺激的影响下膨胀时，将薄的聚合物膜向前推，通道被阻塞。对于与门，在两个水凝胶之间留出一个空间（图2c）。当只有一个水凝胶膨胀时，它仅仅膨胀到该空间中而不将薄的聚合物膜向前推。 因此，只有当两种水凝胶都膨胀时，聚合物膜才能向前推进。基于这些原理以及用于非门的聚合物块（即，阀）构造NAND和NOR门（图2d-f）。经实验验证这四个逻辑门对于所有四个输入状态。

图3两个逻辑门组成的系统的设计示意图

a，b）连接到“或门”和c的AND门；

d）连接到NOR门的AND门。

将一个“与门”连接到一个“或门”（如图3a）。AND门由薄的聚合物膜，pH响应性水凝胶，温度响应性水凝胶和栅极中的空间组成。OR门由薄的聚合物膜和盐响应性水凝胶（即，在去离子水中膨胀并在含盐溶液中收缩的水凝胶）组成，其中没有任何空间。当pH响应性水凝胶和温度响应性水凝胶都膨胀时，它们推动AND门的薄聚合物膜向前。 然后，该聚合物膜向前推盐应答水凝胶和OR门的薄聚合物膜，从而阻断通道。由于在OR门中没有空间，所以不论盐响应性水凝胶是处于其膨胀（在去离子水中）还是收缩状态（在1m NaCl溶液中），通道都被阻断。类似地，当盐响应性水凝胶膨胀时，不管AND的薄聚合物膜是否向前推进，通道都被阻塞。在设计中，盐响应性水凝胶被制造成具有比AND门的薄聚合物膜的长度稍大的宽度。当盐响应性水凝胶膨胀时，由于在聚合物薄膜的端部处的两个PDMS载体，其不能推动AND门的聚合物膜向后。实验验证了这个两个逻辑门的系统对于所有八个输入状态执行符合预期（图3b）。另外还展示了由连接到或非门的与门组成的系统（图3c）。类似地，在pH响应性水凝胶和温度响应水凝胶之间留出了用于AND门的空间；然而，在NOR门中没有空间。再次，实验验证了逻辑门对于所有八个输入状态执行与预期一样（图3d）。

图4使用OR门分析和传输化学品示意图

a）通过组装具有OR门的染料储存器来制造具有药物片剂尺寸（≈1cm）的独立化学递送系统。根据周围溶液的温度（40℃：输入0,4℃：输入1）和pH（pH 2：输入0，pH 12：输入1），逻辑门分析和控制释放染料；

b）系统的自上而下的实验图像；

c）验证染料的释放是由逻辑门控制的。

图5 AND门连接到OR门后对化学品进行分析和传输示意图

a）通过用逻辑门组装染料储存器来制造药片大小（≈1cm）的独立化学递送系统。根据温度（40℃：输入0,4℃：输入1），pH（pH 2：输入0，pH 12：输入1）和盐浓度（1m NaCl：输入0，去离子 水：输入1）周围溶液，逻辑门分析并控制染料的释放；

b）自上而下的系统实验图像；

c）验证染料的释放是由逻辑门控制的。

【小结】

作者说明了使用基本响应构建模块来构建逻辑门的基本原理。一般来说，这种方法具有广泛的灵活性。进一步的工作可涉及用于构造其它类型的逻辑门或其它复杂操作的阀和水凝胶的其他创造性设计（例如，不同的几何形状、尺寸、位置和化学成分）。同时，不同的设计可以导致不同的集成逻辑门的方式。该方法的灵活性的另一个方面是可以不同地设计染料的释放；该系统可以由多个通道，具有多个阀的通道或两者的组合组成。除了二进制输出之外，这些系统可以提供连续变化的响应（例如，通道打开的程度）。另外也可以通过探索系统的不同方面并且集成许多相同类型水凝胶的组合（即，类似于其中相同的电刺激用于控制逻辑门的电子装置）和不同类型的水凝胶的组合。

文献链接：Performing Logical Operations with Stimuli-Responsive Building Blocks

本文由材料人生物材料组肖颖供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。参与高分子话题讨论或了解高分子组招募详情，请加高分子交流群（298064863）。

材料测试，数据分析，上测试谷！

关注“大分子”微信号，分享你所需要的！

微信号：dafenzisci