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Adv. Mater.:具有韧性和自动修复的仿生超分子聚合物网络  

2017-02-06 09:33:53|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【引言】
在自然界中,结构蛋白为实现特殊的生物功能所必须的结构。其中典型的代表是骨骼肌的肌联蛋白。肌联蛋白具有吸收能量的功能,由单分子光谱学研究揭示了其分子内二次断裂后的相互作用。此外,肌联蛋白的演变过程是伴随着重折叠形状修复。由于这种特性使其成为人造自适应材料的一个有趣的方向。目前只有数量有限的蛋白质和多肽基复合材料已被研究。但是在水溶液中合成仍具有挑战性,除非先将聚合物两亲性端分离,再将聚合物拴住在水系统中进行合成,由此预成形的纤维在水溶液中能物理交联,产生瞬态的超分子网络结构。

【成果简介】
在这方面,英国剑桥大学梅尔维尔实验室高分子合成团队Oren A. Scherman(通讯作者)等人提出了一种新型的类水双重网络结构。交联结构维持双重网络的形状和弹性。超分子主客体的相互作用同时提高了几种机械特性:(1)通过破坏主客体复合物,将此作为牺牲键来增强整体网络的韧性;(2)通过重构主客体复合物提高抗疲劳强度和自动恢复能力;(3)通过复合物的动态的分离和重结合分散了体系能量。该成果以“Biomimetic Supramolecular Polymer Networks Exhibiting both Toughness and Self-Recovery”为题于2017年1月16日发表在期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 超分子网络结构的仿生概念图

a)示意图说明模块化双重网络组成的共价超分子主客体相互作用(蓝圈)和化学交叉连接(粉色圆圈)和三元瓜环的逐步络合。

b)典型的模块化部分肌结构。

c)双重网络的图示说明包含多个循环的环状主客体络合、机械诱导主客体复合物的分离、基本能量耗散机制以及主客体复合物的在卸荷和恢复中的形变。

d)无切口双网络结构样本的照片,形象展示双重网络结构样本的机械性能。

图2 性能测试图

a) 在不同的初始变形速率(从10到1000mm·min-1),单轴拉伸行为下的超分子双网络(哑铃形状)。

b) 变形率与断裂应力、断裂应变、杨氏模量的依赖性。

图3 不同条件测试对比图

a)双重网络样本受到不同的程度加压/卸压循环压力图。

b)连续循环拉伸试验下8个不同的等待时间网络复苏图。

c)滞后比率的依赖性(磁滞回线区域下面积与第一次循环之比)和残余应变的等待时间测试。

d)直接拉伸试验的样品(蓝色曲线),在第一次加载/卸载循环应变的8个样品(粉色曲线),和在室温下停留30min的自我修复样品(绿色曲线)。原样品曲线(黑色曲线)和自我修复样本 (绿色曲线)高度重叠,表明通过超分子主客体复合物的重构实现了快速自动复位的力学性能。

【小结】

作者以加压分裂主客体复合物为设计原则,演示了一个简单的类水双网络的肌小节的结构/功能模型。这些类水双重网络是可伸缩的、有韧性的、具有高效的能量耗散,并可以通过主客体复合物的重构在室温下完全自修复。超分子相互作用和化学交连容易结合成单一的系统,这种具备双重网络结构的超分子材料在包括人造肌肉、软骨替代、组织工程和可穿戴电子设备等领域有巨大的应用前景。

文献链接:Biomimetic Supramolecular Polymer Networks Exhibiting both Toughness and Self-Recovery(Adv.Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201604951)

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