专栏名称: 高分子科技

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南京理工大学傅佳骏教授团队 Small 综述：受人体启发的仿生自修复材料

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-11-08 14:34

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人体皮肤、肌肉等组织器官在受伤后可自发愈合，这一特性激发了广大科研人员开发仿生自愈材料的研发兴趣。由人体不同组织结构引发的仿生材料不仅具有类似于人体的自我修复能力，而且还模拟了人体器官的机械特性，包括肌肉的拉伸弹性、皮肤的抗疲劳性以及软骨的高模量等性能。基于模仿人体器官结构的设计理念，仿生自修复材料可解决自修复材料目前存在的修复效率和机械性能之间的矛盾问题。

近期，南京理工大学傅佳骏教授团队详细讨论了各种受人体器官启发的自修复材料，总结了它们的合成原理并介绍了它们的机械特性和修复性质。最后，概述了仿生自修复聚合物材料在生物应变传感器、自修复防腐涂层、生物医学检测等方面的应用前景。该综述以“Research Progress of Human Biomimetic Self-Healing Materials”为题发表在《Small》上，文章的第一作者为南京理工大学硕士研究生张敬怡。

受到人体不同组织器官组成结构的启发，作者分别介绍了基于各个器官仿生自修复材料所具有的力学和自修复特性。皮肤作为人体最大的器官，具有弹性、抗撕裂性、抗疲劳性、应变硬化等力学性能，在保持以上优异的力学性能同时具有自修复功能，通过模拟皮肤中弹性细胞外基质与柔软脂肪组织的协同作用，多种多功能类皮肤自修复材料被广泛报道。

图1 受皮肤启发的自修复材料

与弹性皮肤作为保护层和感觉器官的柔韧性不同，肌肉具有更高的机械强度，可以通过骨骼的收缩和牵引来促进关节运动。人体肌肉由肌外膜、肌束成分和肌纤维组成，紧密连接的肌外膜包含大量的肌纤维束，这些肌纤维束为其提供了强大的机械性能。同时，受损肌肉中肌肉细胞的迁移对肌纤维的自修复有加速作用。此外，自修复材料力学性能普遍较弱，大多数材料的抗拉强度在10 MPa以下。虽然近年来有报道利用多个动态键实现高强度自修复材料，但强机械强度与自修复性能之间的矛盾是实际材料中亟待解决的问题。在自然界中，动物软骨组织具有较高的机械强度和一定的自愈能力。人体软骨组织由胶原细胞和细胞间基质组成。软骨基质中蛋白聚糖分子的侧链通过氢键与胶原纤维连接，形成网状结构。同时，大量胶原纤维也形成网状结构，承受高应力，是软骨自修复的关键组成部分。这种具有强超分子相互作用的多层次子结构赋予软骨更高的机械强度和韧性。除了上述皮肤、肌肉和软骨启发的自修复材料外，研究人员还开发了一系列受其他器官或组织启发的仿生自修复材料。例如受人体脂肪启发研究出的高阻尼自修复材料、受平滑肌细胞启发的高韧性自修复材料、受活肌联蛋白启发的高韧性自修复材料等均已被成功研制。

图2：受其他组织器官启发的仿生自修复材料

仿生自修复材料因其使用寿命长、机械性能好等优点，在防护、生物医学、涂层、电子传感器等众多领域具有巨大的应用潜力。同时，该类型仿生自修复材料还可以与防腐蚀、防污垢、导电等其他功能材料协同作用，实现更广泛的应用。

随着仿生自修复材料的兴起，越来越多满足实际应用要求的高性能材料被开发，为可持续绿色材料科学发展做出了重大贡献。自修复材料后续研究还应致力于将仿生科学与微生物学、工程学、细胞学、物理/化学科学等学科紧密结合，准确构建多尺度宏/微观结构，实现材料结构和功能一体化，助力耐用、通用自修复材料蓬勃发展。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202408199

南京理工大学傅佳骏/姚博文 Adv. Mater.：双向生物电极同时用于人-机遥操控与短时记忆力改善

南理工傅佳骏教授课题组 Adv. Mater.：高致动能量密度、超强韧、可修复形状记忆聚合物材料

南京理工大学傅佳骏/姜炜教授 AFM：强韧并可快速粘附的水下胶黏剂

南京理工大学傅佳骏和陈涛教授 ACS Nano：抗疲劳、类皮肤超分子离子导电弹性体界面层稳定锂金属负极

南理工傅佳骏教授团队 Adv. Mater./Mater. Horiz：仿生设计制备抗疲劳柔韧自修复材料

南理工傅佳骏/南林徐建华《Nat. Commun.》：仿生平滑肌结构设计高抗撕裂柔性自修复可拉伸电容传感器

南京理工大学傅佳骏/姚博文课题组 AFM：高性能超分子塑料

南京理工大学傅佳骏、陈涛课题组 AFM：两性离子聚合物粘结剂协同调控多硫化物构筑高性能锂硫电池

四川大学吴凯/南京理工大学傅佳骏Mater. Horiz.：具有优异机械性能和室温自修复能力的导热软物质

南理工傅佳骏/南林徐建华/南大蒲殷合作《Mater. Horiz.》：室温快速自修复可拉伸柔性透明电磁屏蔽材料

南理工傅佳骏教授课题组Mater. Horiz.：无色透明、超强韧、可回复、可修复聚氨酯-脲弹性体材料

南理工傅佳骏教授、川大傅强教授/吴凯副研究员《Matter》：模仿蜻蜓翅膀的微结构，打造强而韧的可修复材料

南京理工大学的傅佳骏教授团队Angew：室温自修复的玻璃态聚氨酯材料
 南京理工大学傅佳骏、姜炜团队《AFM》文章：利用动态硬相设计策略制备了透明、超韧、机械强度高的室温自修复弹性体材料

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