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  動態(tài)穩(wěn)定與自愈合是生命體的兩個固有特性。而在合成材料中，高動力學穩(wěn)定性與本征性自愈合能力則是兩個渴望獲得但卻不易兼容的性能；這是因為這些材料的修復嚴重依賴于材料中可逆化學鍵或物理相互作用的永久動力學不穩(wěn)定性。這不禁使我們想到了“魚與熊掌不可得兼”的典故。那么合成材料的高動力學穩(wěn)定性與本征性自愈合能力真的是“魚”與“熊掌”的關(guān)系嗎？

  受生命體時間上分級調(diào)控的傷口愈合過程啟發(fā)，山東大學王旭教授研究組建立了一種以化學養(yǎng)分供給作為調(diào)控手段進而賦予高動力學穩(wěn)定性高分子水凝膠材料以本征性自修復能力的方法（圖1）。將脲酶與尿素預先安放在基于腙鍵的高分子水凝膠中；該水凝膠在低初始pH值下形成，而后基于生成堿性物質(zhì)的酶促反應原位鎖定已形成的腙鍵，從而制備具有高動力學穩(wěn)定性的高分子水凝膠。當材料受損后，可在斷面涂抹適量的化學營養(yǎng)物以通過瞬態(tài)解鎖腙鍵進而促進材料的結(jié)構(gòu)修復；當材料完成結(jié)構(gòu)修復后，又可通過酶促反應自發(fā)地恢復材料原有的性質(zhì)及性能（圖2）。該修復方式不但可以修復材料的結(jié)構(gòu)及機械性能，還可以完全恢復材料的均一性及高動力學穩(wěn)定性等重要性質(zhì)。該研究通過賦予高動力學穩(wěn)定性材料以臨時可修復能力的方式實現(xiàn)了“魚”與“熊掌”的兼得。

圖1. 動力學穩(wěn)定水凝膠的本征性修復概念圖。(a) 不同材料在受損后的修復能力：傳統(tǒng)的高動力學穩(wěn)定性水凝膠不能修復；傳統(tǒng)的本征型自修復水凝膠可以基于動態(tài)化學鍵或物理相互作用以實現(xiàn)修復，但它們通常不具備良好的動力學穩(wěn)定性；該工作中制備的水凝膠兼具本征性可修復能力與高動力學穩(wěn)定性，這是通過調(diào)節(jié)材料的臨時修復性能來實現(xiàn)的。(b) 生命體與合成材料在時間上分級調(diào)控的修復過程。

圖2. 高動力學穩(wěn)定性水凝膠的修復過程示意圖。

  對于新一代具有高動力學穩(wěn)定性的本征型可修復材料的設(shè)計，該論文提出了三點看法：(1) 材料的穩(wěn)定性比可修復性更重要。如果一個材料不穩(wěn)定，即便它具有好的可修復性能，其也很難被真正應用。舉個例子，基于某種永久性可逆共價鍵制備的兩個自修復手機屏幕，當屏幕受損后其確實可以實現(xiàn)“破鏡重圓”；但當這兩個手機屏幕接觸后卻再也無法分開。(2) 瞬態(tài)可修復性足以實現(xiàn)材料的修復。相比之下，基于永久動力學不穩(wěn)定相互作用的修復則可能會降低材料的穩(wěn)定性。(3) 在生命體中，適當?shù)臓I養(yǎng)供應對于機體的修復是必不可少的，因此，向受損的材料添加化學養(yǎng)分以促進其修復是可取的方式。

  綜上所述，該工作展示了一種先進的化學養(yǎng)分調(diào)節(jié)策略，在不犧牲材料動力學穩(wěn)定性的前提下，賦予高分子水凝膠以本征性可修復能力。這一概念在基于腙鍵的高分子水凝膠體系中得到了很好的證明。利用這一策略不僅能夠有效地制備基于腙鍵的高動力學穩(wěn)定性高分子水凝膠，而且可在高動力學穩(wěn)定性與本征性可修復能力之間取得恰當?shù)钠胶�。該方法有望成為一種可靠且廣泛適用的策略，賦予熱力學穩(wěn)定、動力學惰性材料以本征性自修復能力。

  上述成果以題目Bioinspired Self-Healing of Kinetically Inert Hydrogels Mediated by Chemical Nutrient Supply發(fā)表在期刊ACS Appl. Mater. Interfaces（2020, 12, 6471-6478）。論文通訊作者為山東大學國家膠體材料工程技術(shù)研究中心王旭教授，第一作者為鐘淵博，論文共同作者之一為山東大學膠體與界面科學研究團隊帶頭人郝京誠教授。該工作得到了國家自然科學基金和山東大學齊魯青年學者計劃的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b20445