抗拉、變色彈性體問世：複製人類皮膚觸手可及？ | 前沿

04-18

?變色龍。圖片來源：http://petonea.com/893/

撰文 | 郭薇

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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一種能夠通過大分子物理結構調控而變色且抗拉伸的彈性體材料，最近被研究出來，實現了複製人類皮膚的重大進展。

生物體的軟組織特徵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徵的生物材料，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，並且能適應拉伸，不會在被體液浸濕時膨脹，也不會由於暴露在空氣中而乾燥[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控，既不需要化學交聯，也不要其它添加劑。

?一隻雄性變色龍的從放鬆到激發態過程的膚色變化。左圖，放鬆狀態；右圖，受激髮狀態；來源：Varnosfaderani,V et al.，Science （2018）

生物組織的機械和光學特性來自於不同的物理起源，但共同作用於生物體，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迅速增大數個數量級，遠遠高於常規彈性體、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禦和信號機制，啟發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性。

生物組織的機械學性能來自其複合性質，由兩種蛋白質，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，交織的彈性蛋白網路確保彈性回位。這種雙重結構產生了一個特徵性的兩相機械響應。雖然各種分子和宏觀結構實現了應變硬化（strain stiffening）的基本原理，但是沒能完全並精確地複製生物組織的變形反應。例如，廣泛應用於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複製組織力學，並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又彼此相互影響，共同發揮作用：（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。剛柔並濟（rigid-while-flexible）、軟硬兼備（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築控制的獨特潛力。兩種構築模塊如何既能發揮個體的作用，並且彼此相互協調增強仿生性能，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路結構；來源：Varnosfaderani,V et al.，Science（2018）

值得注意的是，此研究發現的這些效應能夠複製豬皮膚的力學反應，為人類仿生皮膚材料的開發提供了一個全新的思路，證實了複製人類皮膚觸手可及，希望通過實現獨立控制力學和變色響應將這種材料設計平台進一步拓展。

作者簡介：

郭薇，工學博士（化學工程與技術），現任企業研發部項目主管。

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)

http://6.Li Y. et al., Universal behavior of hydrogels confined to narrow capillaries. Sci. Rep. 5, 17017 (2015).

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