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南京理工大學傅佳駿教授團隊 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

  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�;谀7氯梭w器官結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念,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)效率和機械性能之間的矛盾問題。



  近期,南京理工大學傅佳駿教授團隊詳細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器官仿生自修復(fù)材料所具有的力學和自修復(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)變硬化等力學性能,在保持以上優(yōu)異的力學性能同時具有自修復(fù)功能,通過模擬皮膚中彈性細胞外基質(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層和感覺器官的柔韌性不同,肌肉具有更高的機械強度,可以通過骨骼的收縮和牽引來促進關(guān)節(jié)運動。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大的機械性能。同時,受損肌肉中肌肉細胞的遷移對肌纖維的自修復(fù)有加速作用。此外,自修復(fù)材料力學性能普遍較弱,大多數(shù)材料的抗拉強度在10 MPa以下。雖然近年來有報道利用多個動態(tài)鍵實現(xiàn)高強度自修復(fù)材料,但強機械強度與自修復(fù)性能之間的矛盾是實際材料中亟待解決的問題。在自然界中,動物軟骨組織具有較高的機械強度和一定的自愈能力。人體軟骨組織由膠原細胞和細胞間基質(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,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。這種具有強超分子相互作用的多層次子結(jié)構(gòu)賦予軟骨更高的機械強度和韌性。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、機械性能好等優(yōu)點,在防護、生物醫(yī)學、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,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)綠色材料科學發(fā)展做出了重大貢獻。自修復(fù)材料后續(xù)研究還應(yīng)致力于將仿生科學與微生物學、工程學、細胞學、物理/化學科學等學科緊密結(jié)合,準確構(gòu)建多尺度宏/微觀結(jié)構(gòu),實現(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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(責任編輯:xu)
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