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南京理工大學(xué)傅佳駿教授團(tuán)隊(duì) Small 綜述：受人體啟發(fā)的仿生自修復(fù)材料

2024-11-08 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生自修復(fù)聚合物生物應(yīng)變傳感器自修復(fù)防腐涂層生物醫(yī)學(xué)檢測

人體皮膚、肌肉等組織器官在受傷后可自發(fā)愈合，這一特性激發(fā)了廣大科研人員開發(fā)仿生自愈材料的研發(fā)興趣。由人體不同組織結(jié)構(gòu)引發(fā)的仿生材料不僅具有類似于人體的自我修復(fù)能力，而且還模擬了人體器官的機(jī)械特性，包括肌肉的拉伸彈性、皮膚的抗疲勞性以及軟骨的高模量等性能。基于模仿人體器官結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，仿生自修復(fù)材料可解決自修復(fù)材料目前存在的修復(fù)效率和機(jī)械性能之間的矛盾問題。

近期，南京理工大學(xué)傅佳駿教授團(tuán)隊(duì)詳細(xì)討論了各種受人體器官啟發(fā)的自修復(fù)材料，總結(jié)了它們的合成原理并介紹了它們的機(jī)械特性和修復(fù)性質(zhì)。最后，概述了仿生自修復(fù)聚合物材料在生物應(yīng)變傳感器、自修復(fù)防腐涂層、生物醫(yī)學(xué)檢測等方面的應(yīng)用前景。該綜述以“Research Progress of Human Biomimetic Self-Healing Materials”為題發(fā)表在《Small》上，文章的第一作者為南京理工大學(xué)碩士研究生張敬怡。

受到人體不同組織器官組成結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者分別介紹了基于各個(gè)器官仿生自修復(fù)材料所具有的力學(xué)和自修復(fù)特性。皮膚作為人體最大的器官，具有彈性、抗撕裂性、抗疲勞性、應(yīng)變硬化等力學(xué)性能，在保持以上優(yōu)異的力學(xué)性能同時(shí)具有自修復(fù)功能，通過模擬皮膚中彈性細(xì)胞外基質(zhì)與柔軟脂肪組織的協(xié)同作用，多種多功能類皮膚自修復(fù)材料被廣泛報(bào)道。

圖1 受皮膚啟發(fā)的自修復(fù)材料

與彈性皮膚作為保護(hù)層和感覺器官的柔韌性不同，肌肉具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，可以通過骨骼的收縮和牽引來促進(jìn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。人體肌肉由肌外膜、肌束成分和肌纖維組成，緊密連接的肌外膜包含大量的肌纖維束，這些肌纖維束為其提供了強(qiáng)大的機(jī)械性能。同時(shí)，受損肌肉中肌肉細(xì)胞的遷移對肌纖維的自修復(fù)有加速作用。此外，自修復(fù)材料力學(xué)性能普遍較弱，大多數(shù)材料的抗拉強(qiáng)度在10 MPa以下。雖然近年來有報(bào)道利用多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度自修復(fù)材料，但強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度與自修復(fù)性能之間的矛盾是實(shí)際材料中亟待解決的問題。在自然界中，動(dòng)物軟骨組織具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和一定的自愈能力。人體軟骨組織由膠原細(xì)胞和細(xì)胞間基質(zhì)組成。軟骨基質(zhì)中蛋白聚糖分子的側(cè)鏈通過氫鍵與膠原纖維連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，大量膠原纖維也形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，承受高應(yīng)力，是軟骨自修復(fù)的關(guān)鍵組成部分。這種具有強(qiáng)超分子相互作用的多層次子結(jié)構(gòu)賦予軟骨更高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。除了上述皮膚、肌肉和軟骨啟發(fā)的自修復(fù)材料外，研究人員還開發(fā)了一系列受其他器官或組織啟發(fā)的仿生自修復(fù)材料。例如受人體脂肪啟發(fā)研究出的高阻尼自修復(fù)材料、受平滑肌細(xì)胞啟發(fā)的高韌性自修復(fù)材料、受活肌聯(lián)蛋白啟發(fā)的高韌性自修復(fù)材料等均已被成功研制。

圖2：受其他組織器官啟發(fā)的仿生自修復(fù)材料

仿生自修復(fù)材料因其使用壽命長、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，在防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、涂層、電子傳感器等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，該類型仿生自修復(fù)材料還可以與防腐蝕、防污垢、導(dǎo)電等其他功能材料協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
隨著仿生自修復(fù)材料的興起，越來越多滿足實(shí)際應(yīng)用要求的高性能材料被開發(fā)，為可持續(xù)綠色材料科學(xué)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。自修復(fù)材料后續(xù)研究還應(yīng)致力于將仿生科學(xué)與微生物學(xué)、工程學(xué)、細(xì)胞學(xué)、物理/化學(xué)科學(xué)等學(xué)科緊密結(jié)合，準(zhǔn)確構(gòu)建多尺度宏/微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)和功能一體化，助力耐用、通用自修復(fù)材料蓬勃發(fā)展。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202408199

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（責(zé)任編輯：xu）

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