抗拉、变色弹性体问世：复制人类皮肤触手可及？

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抗拉、变色弹性体问世：复制人类皮肤触手可及？ | 前沿

2018 年 4 月 2 日 知识分子 郭薇

►变色龙。图片来源：http://petonea.com/893/

撰文 | 郭薇

责编 | 陈晓雪

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一种能够通过大分子物理结构调控而变色且抗拉伸的弹性体材料，最近被研究出来，实现了复制人类皮肤的重大进展。

生物体的软组织特征是能够启动保护色进行伪装，而目前合成具备适应性变色和类组织力学特征的生物材料，仍然是一个难题。2018年3月30日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Sergei S. Sheiko教授等人在Science上报道了一种类似变色龙皮肤的弹性体材料（chameleon-like elastomers），能够像变色龙的皮肤一样变色伪装，并且能适应拉伸，不会在被体液浸湿时膨胀，也不会由于暴露在空气中而干燥[1]。

这种材料通过高分子的自组装形成线性—瓶刷—线性（linear-bottlebrush-linear）结构，呈现出亮丽的颜色、极致的软度和与皮肤组织同等的抗拉伸特性。每种功能特性可以通过一个大分子结构进行调控，既不需要化学交联，也不要其它添加剂。

►一只雄性变色龙的从放松到激发态过程的肤色变化。左图，放松状态；右图，受激发状态；来源：Varnosfaderani,V et al.，Science （2018）

生物组织的机械和光学特性来自于不同的物理起源，但共同作用于生物体，如变色龙，头足类动物和两栖动物[2]。例如，皮肤组织在变形期间，会迅速从柔软变得坚硬，以防止受伤。皮肤组织的弹性模量在短时间内迅速增大数个数量级，远远高于常规弹性体、凝胶和热塑性塑料的弹性模量。而且皮肤组织还可以利用结构干涉将白光同时转换成彩色图案[3]。因此，由生物组织的功能构成的防御和信号机制，启发人们设计具有类似组织力学或显示结构色的各种仿生材料。然而，将这两种属性整合到单一材料的分子结构中非常具有挑战性。

生物组织的机械学性能来自其复合性质，由两种蛋白质，即胶原蛋白和弹性蛋白的不同机械响应所构成[4]。僵硬的胶原纤维支架抵抗变形，交织的弹性蛋白网络确保弹性回位。这种双重结构产生了一个特征性的两相机械响应。虽然各种分子和宏观结构实现了应变硬化（strain stiffening）的基本原理，但是没能完全并精确地复制生物组织的变形反应。例如，广泛应用于矫正和摄影的各种硅橡胶，具有类似皮肤的柔软度，但缺乏皮肤的应变硬化特性[5]。聚合物凝胶同样不能复制组织力学，并且在变形时会泄露溶剂[6]。

Sergei S. Sheiko教授等人设计了一种由线性—瓶刷—线性ABA三嵌段共聚物的微相分离形成的无溶剂、超软、强应变硬化的变色弹性体[1]。研究者构建了两种模块，既有不同的物理和化学性质又彼此相互影响，共同发挥作用：（i）聚集成刚性结构域的柔性线性链和（ii）形成超柔软基体的刚性瓶刷股。刚柔并济（rigid-while-flexible）、软硬兼备（soft-while-stiff），这些属性之间的相互作用看似矛盾，实际上代表了对材料机械学和光学性能进行建筑控制的独特潜力。两种构筑模块如何既能发挥个体的作用，并且彼此相互协调增强仿生性能，也是这项研究的最大亮点。