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南京理工大學傅佳駿教授團隊 Small 綜述:受人體啟發的仿生自修復材料
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愈合,這一特性激發了廣大科研人員開發仿生自愈材料的研發興趣。由人體不同組織結構引發的仿生材料不僅具有類似于人體的自我修復能力,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。基于模仿人體器官結構的設計理念,仿生自修復材料可解決自修復材料目前存在的修復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的自修復材料,總結了它們的合成原理并介紹了它們的機械特性和修復性質。最后,概述了仿生自修復聚合物材料在生物應變傳感器、自修復防腐涂層、生物醫學檢測等方面的應用前景。該綜述以“Research Progress of Human Biomimetic Self-Healing Materials”為題發表在《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構的啟發,作者分別介紹了基于各個器官仿生自修復材料所具有的力學和自修復特性。皮膚作為人體最大的器官,具有彈性、抗撕裂性、抗疲勞性、應變硬化等力學性能,在保持以上優異的力學性能同時具有自修復功能,通過模擬皮膚中彈性細胞外基質與柔軟脂肪組織的協同作用,多種多功能類皮膚自修復材料被廣泛報道。 


圖1 受皮膚啟發的自修復材料


  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節運動。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有加速作用。此外,自修復材料力學性能普遍較弱,大多數材料的抗拉強度在10 MPa以下。雖然近年來有報道利用多個動態鍵實現高強度自修復材料,但強機械強度與自修復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組成。軟骨基質中蛋白聚糖分子的側鏈通過氫鍵與膠原纖維連接,形成網狀結構。同時,大量膠原纖維也形成網狀結構,承受高應力,是軟骨自修復的關鍵組成部分。這種具有強超分子相互作用的多層次子結構賦予軟骨更高的機械強度和韌性。除了上述皮膚、肌肉和軟骨啟發的自修復材料外,研究人員還開發了一系列受其他器官或組織啟發的仿生自修復材料。例如受人體脂肪啟發研究出的高阻尼自修復材料、受平滑肌細胞啟發的高韌性自修復材料、受活肌聯蛋白啟發的高韌性自修復材料等均已被成功研制。 


圖2:受其他組織器官啟發的仿生自修復材料


  仿生自修復材料因其使用壽命長、機械性能好等優點,在防護、生物醫學、涂層、電子傳感器等眾多領域具有巨大的應用潛力。同時,該類型仿生自修復材料還可以與防腐蝕、防污垢、導電等其他功能材料協同作用,實現更廣泛的應用。
隨著仿生自修復材料的興起,越來越多滿足實際應用要求的高性能材料被開發,為可持續綠色材料科學發展做出了重大貢獻。自修復材料后續研究還應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合,準確構建多尺度宏/微觀結構,實現材料結構和功能一體化,助力耐用、通用自修復材料蓬勃發展。


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

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(責任編輯:xu)
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