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  將體溫形狀記憶聚合物、高強度、高韌性以及生物相容性等性質結合到同一材料中，是聚合物科學中的一項挑戰。通過平衡諸如強/弱、剛性/柔性以及結晶/非晶結構等矛盾，本研究設計制備了一種具有體溫響應形狀記憶的高性能生物醫學彈性體，它通過多尺度增強機制實現了類皮膚的特性，其性能遠超其他常見材料。該材料在細胞、血液、小動物水平上均具有優異的生物相容性，且轉錄組學證明其可能存在促進細胞增殖的潛力。

  彈性體因其機械性能與生物軟組織相似，在生物醫學應用中發揮了重要作用。然而，目前合成彈性體的性能與軟組織相比仍不盡人意。近年來，微創手術發展迅速，對對生物醫用彈性體提出了新的要求，譬如體溫形狀記憶聚合物、高強度、高韌性以及生物相容性等。因此，迫切需要一種新型生物醫用材料，將形狀記憶性能與類似于甚至優于生物軟組織的機械性能結合到一種材料中。

  大多數已報道的類軟組織彈性體通常存在一些限制，例如需要較弱的交聯來確保其固有的柔軟性，但這導致了強度和抗撕裂性能較差。此外，形狀記憶性能通常難以與出色的機械性能共存。更重要的是，醫用材料的理想形狀記憶應在體溫下發生，這需要精確控制玻璃化轉變溫度或晶體熔點。此外，生物相容性和生物降解性對于醫用材料來說也至關重要。因此，解決上述問題需要平衡諸如強/弱、剛性/柔性以及結晶/非晶結構等眾多矛盾和挑戰。

  近日，清華大學化工系徐軍課題組與中國中醫科學院青蒿素研究中心邱崇副研究員合作，利用模塊化分子設計制備了一種具有體溫響應形狀記憶的高性能生物醫學彈性體，它通過多尺度增強機制實現了類皮膚的特性，其性能遠超其他常見材料。在設計策略上，將應變強化所需的應變誘導結晶、抗損傷所需的強弱氫鍵耦合、形狀記憶所需的結晶控制以及生物降解所需的可水解基團引入到一種彈性體中（圖1），從而解決了上述挑戰。所獲得的彈性體具有優異的拉伸強度（約 82.5±3.9 MPa）和拉伸斷裂韌性（約 470±29 MJ/m³），明顯的應變硬化行為以及超高的撕裂能（384.7±18.9 kJ/m²）。通過適當的嵌段序列長度和微相分離調控，材料內部的聚己內酯嵌段能夠在低溫下結晶，熔程終點約為37°C，可在體溫下實現形狀記憶。所設計的材料可進行 4D 打印，并在細胞、血液和動物水平上具有生物相容性。轉錄組結果表明，該彈性體可上調與細胞增殖相關的基因，在組織修復領域具有巨大潛力。

圖2. 彈性體的拉伸性能、微相分離、氫鍵和結晶

圖3. 高性能的抗損傷和生物降解性

圖4. 高性能彈性體的體溫形狀記憶和4D打印

圖5. 高性能彈性體的轉錄組學結果

  本研究采用的模塊化設計方法為高性能彈性體提供了一種新方法。通過對嵌段化學結構和序列長度的綜合設計，結合多尺度增強機制，使新材料能夠實現超越傳統材料的性能。相關研究成果以Damage Resistant and Body-Temperature Shape Memory Skin-Mimic Elastomer for Biomedical Applications為題發表在學術期刊Science Advances上。清華大學化工系博士后史家昕為論文第一作者，清華大學化工系徐軍副教授、中國中醫科學院青蒿素研究中心邱崇副研究員為論文通訊作者，清華大學化工系郭寶華教授、青蒿素研究中心王晨、夏斐副研究員為論文共同作者。青蒿素研究中心研究生涂青超、清華大學化工系博士生李博參與了部分實驗工作，清華大學化工系博士畢業生汪志琦參與了論文示意圖繪制。該研究得到了國家自然科學基金、中國中醫科學院科技創新工程基礎研究專項基金、北京市科技新星計劃的支持。

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4646