抗拉、變色彈性體問世：復制人類皮膚觸手可及？ | 前沿
?變色龍。圖片來源：http://petonea.com/893/
撰文 | 郭 薇
責編 | 陳曉雪
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一種能夠通過大分子物理結構調(diào)控而變色且抗拉伸的彈性體材料，最近被研究出來，實現(xiàn)了復制人類皮膚的重大進展。
生物體的軟組織特征是能夠啟動保護色進行偽裝，而目前合成具備適應性變色和類組織力學特征的生物材料，仍然是一個難題。2018年3月30日，美國北卡羅來納大學教堂山分校Sergei S. Sheiko教授等人在Science上報道了一種類似變色龍皮膚的彈性體材料（chameleon-like elastomers），能夠像變色龍的皮膚一樣變色偽裝，并且能適應拉伸，不會在被體液浸濕時膨脹，也不會由于暴露在空氣中而干燥[1]。
這種材料通過高分子的自組裝形成線性—瓶刷—線性（linear-bottlebrush-linear）結構，呈現(xiàn)出亮麗的顏色、極致的軟度和與皮膚組織同等的抗拉伸特性。每種功能特性可以通過一個大分子結構進行調(diào)控，既不需要化學交聯(lián)，也不要其它添加劑。
?一只雄性變色龍的從放松到激發(fā)態(tài)過程的膚色變化。左圖，放松狀態(tài)；右圖，受激發(fā)狀態(tài)；來源：Varnosfaderani,V et al.，Science （2018）
生物組織的機械和光學特性來自于不同的物理起源，但共同作用于生物體，如變色龍，頭足類動物和兩棲動物[2]。例如，皮膚組織在變形期間，會迅速從柔軟變得堅硬，以防止受傷。皮膚組織的彈性模量在短時間內(nèi)迅速增大數(shù)個數(shù)量級，遠遠高于常規(guī)彈性體、凝膠和熱塑性塑料的彈性模量。而且皮膚組織還可以利用結構干涉將白光同時轉換成彩色圖案[3]。因此，由生物組織的功能構成的防御和信號機制，啟發(fā)人們設計具有類似組織力學或顯示結構色的各種仿生材料。然而，將這兩種屬性整合到單一材料的分子結構中非常具有挑戰(zhàn)性。
生物組織的機械學性能來自其復合性質(zhì)，由兩種蛋白質(zhì)，即膠原蛋白和彈性蛋白的不同機械響應所構成[4]。僵硬的膠原纖維支架抵抗變形，交織的彈性蛋白網(wǎng)絡確保彈性回位。這種雙重結構產(chǎn)生了一個特征性的兩相機械響應。雖然各種分子和宏觀結構實現(xiàn)了應變硬化（strain stiffening）的基本原理，但是沒能完全并精確地復制生物組織的變形反應。例如，廣泛應用于矯正和攝影的各種硅橡膠，具有類似皮膚的柔軟度，但缺乏皮膚的應變硬化特性[5]。聚合物凝膠同樣不能復制組織力學，并且在變形時會泄露溶劑[6]。
Sergei S. Sheiko教授等人設計了一種由線性—瓶刷—線性ABA三嵌段共聚物的微相分離形成的無溶劑、超軟、強應變硬化的變色彈性體[1]。研究者構建了兩種模塊，既有不同的物理和化學性質(zhì)又彼此相互影響，共同發(fā)揮作用：（i）聚集成剛性結構域的柔性線性鏈和（ii）形成超柔軟基體的剛性瓶刷股。剛柔并濟（rigid-while-flexible）、軟硬兼?zhèn)?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（soft-while-stiff） ，這些屬性之間的相互作用看似矛盾，實際上代表了對材料機械學和光學性能進行建筑控制的獨特潛力。兩種構筑模塊如何既能發(fā)揮個體的作用，并且彼此相互協(xié)調(diào)增強仿生性能，也是這項研究的最大亮點。
?自組裝的線性-瓶刷-線性ABA三嵌段共聚物的物理網(wǎng)絡結構；來源：Varnosfaderani,V et al.，Science（2018）
值得注意的是，此研究發(fā)現(xiàn)的這些效應能夠復制豬皮膚的力學反應，為人類仿生皮膚材料的開發(fā)提供了一個全新的思路，證實了復制人類皮膚觸手可及，希望通過實現(xiàn)獨立控制力學和變色響應將這種材料設計平臺進一步拓展。
作者簡介：
郭薇，工學博士（化學工程與技術），現(xiàn)任企業(yè)研發(fā)部項目主管。
參考文獻：
1. Varnosfaderani, V et al.，Chameleon-like elastomers with molecularly encoded strain-adaptive stiffening and coloration. Science (2018).
2.Teyssier, J. et al., Photonic crystals causeactive colour change in chameleons. Nat. Commun. 6, 6368 (2015)
3.Vigneron, J., Natural photonic crystals. Physica B 407, 4032-4036(2012).
4.Holzapfel, G. A., in Handbook of Material Behavior Models, J. Lemaitre, Ed. (Academic Press, 2001),1057-1071.
5.Ranzani, T. et al., A bio-inspired soft manipulator for minimally invasive surgery. Bioinspir .Biomim. 10, 035008 (2015)
6.Li Y. et al., Universal behavior of hydrogels confined to narrow capillaries. Sci. Rep. 5, 17017 (2015).
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