财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 抗拉、变色弹性体问世:复制人类皮肤触手可及?

抗拉、变色弹性体问世:复制人类皮肤触手可及?

撰文 | 郭    薇

责编 | 陈晓雪

一种能够通过大分子物理结构调控而变色且抗拉伸的弹性体材料,最近被研究出来,实现了复制人类皮肤的重大进展。

生物体的软组织特征是能够启动保护色进行伪装,而目前合成具备适应性变色和类组织力学特征的生物材料,仍然是一个难题。2018年3月30日,美国北卡罗来纳大学教堂山分校Sergei S. Sheiko教授等人在Science上报道了一种类似变色龙皮肤的弹性体材料(chameleon-like elastomers),能够像变色龙的皮肤一样变色伪装,并且能适应拉伸,不会在被体液浸湿时膨胀,也不会由于暴露在空气中而干燥[1]。

这种材料通过高分子的自组装形成线性—瓶刷—线性(linear-bottlebrush-linear)结构,呈现出亮丽的颜色、极致的软度和与皮肤组织同等的抗拉伸特性。每种功能特性可以通过一个大分子结构进行调控,既不需要化学交联,也不要其它添加剂。

 

生物组织的机械和光学特性来自于不同的物理起源,但共同作用于生物体,如变色龙,头足类动物和两栖动物[2]。例如,皮肤组织在变形期间,会迅速从柔软变得坚硬,以防止受伤。皮肤组织的弹性模量在短时间内迅速增大数个数量级,远远高于常规弹性体、凝胶和热塑性塑料的弹性模量。而且皮肤组织还可以利用结构干涉将白光同时转换成彩色图案[3]。因此,由生物组织的功能构成的防御和信号机制,启发人们设计具有类似组织力学或显示结构色的各种仿生材料。然而,将这两种属性整合到单一材料的分子结构中非常具有挑战性。

生物组织的机械学性能来自其复合性质,由两种蛋白质,即胶原蛋白和弹性蛋白的不同机械响应所构成[4]。僵硬的胶原纤维支架抵抗变形,交织的弹性蛋白网络确保弹性回位。这种双重结构产生了一个特征性的两相机械响应。虽然各种分子和宏观结构实现了应变硬化(strain stiffening)的基本原理,但是没能完全并精确地复制生物组织的变形反应。例如,广泛应用于矫正和摄影的各种硅橡胶,具有类似皮肤的柔软度,但缺乏皮肤的应变硬化特性[5]。聚合物凝胶同样不能复制组织力学,并且在变形时会泄露溶剂[6]。

Sergei S. Sheiko教授等人设计了一种由线性—瓶刷—线性ABA三嵌段共聚物的微相分离形成的无溶剂、超软、强应变硬化的变色弹性体[1]。研究者构建了两种模块,既有不同的物理和化学性质又彼此相互影响,共同发挥作用:(i)聚集成刚性结构域的柔性线性链和(ii)形成超柔软基体的刚性瓶刷股。刚柔并济(rigid-while-flexible)、软硬兼备(soft-while-stiff) ,这些属性之间的相互作用看似矛盾,实际上代表了对材料机械学和光学性能进行建筑控制的独特潜力。两种构筑模块如何既能发挥个体的作用,并且彼此相互协调增强仿生性能,也是这项研究的最大亮点。

值得注意的是,此研究发现的这些效应能够复制猪皮肤的力学反应,为人类仿生皮肤材料的开发提供了一个全新的思路,证实了复制人类皮肤触手可及,希望通过实现独立控制力学和变色响应将这种材料设计平台进一步拓展。

作者简介:

郭薇,工学博士(化学工程与技术),现任企业研发部项目主管。

参考文献:

1. Varnosfaderani, V et al.,Chameleon-like elastomers with molecularly encoded strain-adaptive stiffening and coloration. Science (2018).

2.Teyssier, J. et al., Photonic crystals causeactive colour change in chameleons. Nat. Commun. 6, 6368 (2015)

3.Vigneron, J., Natural photonic crystals. Physica B 407, 4032-4036(2012).

4.Holzapfel, G. A., in Handbook of Material Behavior Models, J. Lemaitre, Ed. (Academic Press, 2001),1057-1071.

5.Ranzani, T. et al., A bio-inspired soft manipulator for minimally invasive surgery. Bioinspir .Biomim. 10, 035008 (2015)

6.Li Y. et al., Universal behavior of hydrogels confined to narrow capillaries. Sci. Rep. 5, 17017 (2015).

推荐 2