抗拉、變色彈性體問(wèn)世：復(fù)制人類皮膚觸手可及？ | 前沿
?變色龍。圖片來(lái)源：http://petonea.com/893/
撰文 | 郭 薇
責(zé)編 | 陳曉雪
● ● ●
一種能夠通過(guò)大分子物理結(jié)構(gòu)調(diào)控而變色且抗拉伸的彈性體材料，最近被研究出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)制人類皮膚的重大進(jìn)展。
生物體的軟組織特征是能夠啟動(dòng)保護(hù)色進(jìn)行偽裝，而目前合成具備適應(yīng)性變色和類組織力學(xué)特征的生物材料，仍然是一個(gè)難題。2018年3月30日，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校Sergei S. Sheiko教授等人在Science上報(bào)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(yīng)拉伸，不會(huì)在被體液浸濕時(shí)膨脹，也不會(huì)由于暴露在空氣中而干燥[1]。
這種材料通過(guò)高分子的自組裝形成線性—瓶刷—線性（linear-bottlebrush-linear）結(jié)構(gòu)，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(guò)一個(gè)大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，既不需要化學(xué)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(guò)程的膚色變化。左圖，放松狀態(tài)；右圖，受激發(fā)狀態(tài)；來(lái)源：Varnosfaderani,V et al.，Science （2018）
生物組織的機(jī)械和光學(xué)特性來(lái)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(dòng)物和兩棲動(dòng)物[2]。例如，皮膚組織在變形期間，會(huì)迅速?gòu)娜彳涀兊脠?jiān)硬，以防止受傷。皮膚組織的彈性模量在短時(shí)間內(nèi)迅速增大數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)干涉將白光同時(shí)轉(zhuǎn)換成彩色圖案[3]。因此，由生物組織的功能構(gòu)成的防御和信號(hào)機(jī)制，啟發(fā)人們?cè)O(shè)計(jì)具有類似組織力學(xué)或顯示結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中非常具有挑戰(zhàn)性。
生物組織的機(jī)械學(xué)性能來(lái)自其復(fù)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(jī)械響應(yīng)所構(gòu)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(luò)確保彈性回位。這種雙重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)特征性的兩相機(jī)械響應(yīng)。雖然各種分子和宏觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變硬化（strain stiffening）的基本原理，但是沒(méi)能完全并精確地復(fù)制生物組織的變形反應(yīng)。例如，廣泛應(yīng)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(yīng)變硬化特性[5]。聚合物凝膠同樣不能復(fù)制組織力學(xué)，并且在變形時(shí)會(huì)泄露溶劑[6]。
Sergei S. Sheiko教授等人設(shè)計(jì)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(wú)溶劑、超軟、強(qiáng)應(yīng)變硬化的變色彈性體[1]。研究者構(gòu)建了兩種模塊，既有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)又彼此相互影響，共同發(fā)揮作用：（i）聚集成剛性結(jié)構(gòu)域的柔性線性鏈和（ii）形成超柔軟基體的剛性瓶刷股。剛?cè)岵?jì)（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(shí)際上代表了對(duì)材料機(jī)械學(xué)和光學(xué)性能進(jìn)行建筑控制的獨(dú)特潛力。兩種構(gòu)筑模塊如何既能發(fā)揮個(gè)體的作用，并且彼此相互協(xié)調(diào)增強(qiáng)仿生性能，也是這項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)。
?自組裝的線性-瓶刷-線性ABA三嵌段共聚物的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；來(lái)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(yīng)能夠復(fù)制豬皮膚的力學(xué)反應(yīng)，為人類仿生皮膚材料的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)全新的思路，證實(shí)了復(fù)制人類皮膚觸手可及，希望通過(guò)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制力學(xué)和變色響應(yīng)將這種材料設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)一步拓展。
作者簡(jiǎn)介：
郭薇，工學(xué)博士（化學(xué)工程與技術(shù)），現(xiàn)任企業(yè)研發(fā)部項(xiàng)目主管。
參考文獻(xiàn)：
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).
制版編輯：斯嘉麗 |
