科學發現：像人體組織一樣柔軟的新材料


上圖從左至右依次是：未交聯（*線型或支型高分子鏈間以共價鍵連接成網狀或體型高分子的過程）的聚合物油墨，紅外光激活交聯過程以及最終成品——一種極柔軟的交聯彈性體。圖源：@ Isabelle Chabinyc
加州大學聖巴巴拉分校材料係主任Michael Chabinyc教授，以及係內一位助理教授和Christopher Bates實驗室的研究員，共同開發出首款3D打印的“瓶刷”彈性體。用於製造這種彈性體的新材料極為柔軟且彈性極佳，其力學性能接近人體組織。
傳統的彈性體往往比生物組織更硬，比如橡膠。其原因在於組成它們的聚合物分子是線性的，因此很容易像炒意麵時那樣纏繞在一起。相反，瓶刷型聚合物則有著類似於廚房中瓶刷那樣的結構——線型主鏈外加許多支鏈。瓶刷型聚合物的特殊結構賦予了其製造超柔軟彈性體的能力。
由於可以通過3D打印製造瓶刷彈性體，瓶刷型聚合物可以發揮其獨特的力學性能，製造出需要精確操控的元件，比如仿生組織和高靈敏度電子設備（觸摸板、傳感器和激勵器等）等。
Renxuan Xie和Sanjoy Mukherjee兩位博士後研究員在開發這種新材料的過程中發揮了重要作用。他們的發現發表於《科學進展》雜誌。


圖源：DOI: 10.1126/sciadv.abc6900
Xie和Mukherjee的重要發現包括瓶刷型聚合物可以在納米尺度下完成自組裝，並可在一定壓力條件下完成固體向液體的轉變。這種材料屬於屈服應力流體，即一開始它處於可以維持形狀的半固體狀態，比如黃油和牙膏，但在施加一定的壓力後，便可以液化並流過注射器。該團隊利用這一特性製作了用於直寫成型（DIW）的3D打印工藝的墨水。
通過調整加載的壓力，研究人員可以改變這種材料的流動性，從而使其適用於不同的工況。Xie說到，“比如當環境中存在振動時，需要這種聚合物在變化的應力水平下維持形狀。我們研發的材料能夠在數小時內始終維持其原有形狀。這一點非常重要，因為一旦材料在打印中出現流掛，就會削弱成品的結構強度。”
打印完成後，將其暴露在紫外光下便可以激活油墨中含有的、由Mukherjee合成的交聯劑。交聯劑將瓶刷型聚合物相互聯結，最終形成超柔軟的彈性體。此時，材料將變為永久性固體——在壓力作用下不再液化，同時展現出出眾的特性。
Xie解釋道，“開始時，這種長聚合物還沒有交聯，因此可以像液體一樣流動。不過，一旦將他們暴露在紫外線下，聚合物鏈之間的小分子便相互作用並交聯在一起，最終形成固態的彈性體，拉伸後能夠恢複原狀。”
材料的柔軟程度一般通過模量來衡量，大多數彈性體的模量都相當高，這意味著它們的硬度和彈性與橡皮筋比較接近。Xie強調，“我們研發的新材料，模量比橡皮筋小數千倍，它就像人體組織那樣，不僅超級柔軟，而且具有很強的可拉伸性，能夠拉伸至初始長度的3至4倍。”
Mukherjee在嚐試開發一種能夠增加激勵器儲電能力的材料過程中，偶然得到了這種新材料。當Xie拿到這種彈性體並對其進行表征後，他立即意識到其特殊性。他回憶道，“我當即意識到它的特殊性——能很好地保持自身形狀。”
Bates談到，“當我們準確測得其屈服應力時，大家立即意識到它可以用於3D打印。它的性能極佳，迄今為止還沒有一種3D打印材料具有那樣的柔軟度。”
瓶刷型聚合物已經存在了20餘年。Bates說，不過“得益於合成化學的進步，這些獨特分子的形狀和尺寸可以被精確控製，該領域在最近10年中飛速發展。”
他補充道，“這些超級柔軟的彈性體或許可以用作移植物。因為力學性能和人體組織接近的移植物，能夠有效減輕炎症和排異反應。”
Chabinyc強調，另一個關鍵在於這種新材料是純粹的聚合物。


圖源：DOI: 10.1126/sciadv.abc6900
他提到，“其中不含水分或人工溶劑，它本身就那麽柔軟。”
為方便理解聚合物中沒有水分的重要性，可以對比主要由水組成並隻有在水分不流失的條件下才能夠維持其形狀的果凍。Chabinyc說，“一旦果凍裏麵的水分流失了，就隻剩一堆沒有形狀的材料。傳統的聚合物隻有在含有適量水分的情況下才能夠保持形狀，而這種新材料則完全是固體，（形狀）永遠不會變化。”
此外，這種新材料不需要溶劑便可以用於3D打印及後處理，這一點非同尋常。Xie表示，“我們常常需要添加溶劑以液化某種固體，並使其能夠通過管道流動，而一旦添加了溶劑，打印後的半成品就必須經曆溶劑揮發的過程，但這一過程會改變打印形狀甚至引起損壞。”
Mukherjee補充道，“我們需要一種能夠使（3D）打印過程盡可能幹淨且簡單的材料，所以在溶解性和自組裝上麵動了點腦筋，並實現了不需要溶劑的（3D打印）過程，不需要溶劑的特性是一個極大的優勢。”
撰文：James Badham，加州大學聖巴巴拉分校
翻譯：張宇哲
審校：董子晨曦
引進來源：物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-02-material-yields-soft-elastic-human.html
本文來自：環球科學



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