Adv. Mater.：具有韌性和自動修復的仿生超分子聚合物網絡

【引言】
在自然界中，結構蛋白為實現特殊的生物功能所必須的結構。其中典型的代表是骨骼肌的肌聯蛋白。肌聯蛋白具有吸收能量的功能，由單分子光譜學研究揭示了其分子內二次斷裂后的相互作用。此外，肌聯蛋白的演變過程是伴隨著重折疊形狀修復。由于這種特性使其成為人造自適應材料的一個有趣的方向。目前只有數量有限的蛋白質和多肽基復合材料已被研究。但是在水溶液中合成仍具有挑戰性，除非先將聚合物兩親性端分離，再將聚合物拴住在水系統中進行合成，由此預成形的纖維在水溶液中能物理交聯，產生瞬態的超分子網絡結構。

【成果簡介】
在這方面，英國劍橋大學梅爾維爾實驗室高分子合成團隊Oren A. Scherman（通訊作者）等人提出了一種新型的類水雙重網絡結構。交聯結構維持雙重網絡的形狀和彈性。超分子主客體的相互作用同時提高了幾種機械特性：（1）通過破壞主客體復合物,將此作為犧牲鍵來增強整體網絡的韌性；（2）通過重構主客體復合物提高抗疲勞強度和自動恢復能力；（3）通過復合物的動態的分離和重結合分散了體系能量。該成果以“Biomimetic Supramolecular Polymer Networks Exhibiting both Toughness and Self-Recovery”為題于2017年1月16日發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 超分子網絡結構的仿生概念圖

a）示意圖說明模塊化雙重網絡組成的共價超分子主客體相互作用(藍圈)和化學交叉連接(粉色圓圈)和三元瓜環的逐步絡合。

b）典型的模塊化部分肌結構。

c）雙重網絡的圖示說明包含多個循環的環狀主客體絡合、機械誘導主客體復合物的分離、基本能量耗散機制以及主客體復合物的在卸荷和恢復中的形變。

d）無切口雙網絡結構樣本的照片，形象展示雙重網絡結構樣本的機械性能。

圖2 性能測試圖

a) 在不同的初始變形速率（從10到1000mm·min^-1），單軸拉伸行為下的超分子雙網絡(啞鈴形狀)。

b) 變形率與斷裂應力、斷裂應變、楊氏模量的依賴性。

圖3 不同條件測試對比圖

a）雙重網絡樣本受到不同的程度加壓/卸壓循環壓力圖。

b）連續循環拉伸試驗下8個不同的等待時間網絡復蘇圖。

c）滯后比率的依賴性（磁滯回線區域下面積與第一次循環之比）和殘余應變的等待時間測試。

d）直接拉伸試驗的樣品(藍色曲線)，在第一次加載/卸載循環應變的8個樣品(粉色曲線)，和在室溫下停留30min的自我修復樣品(綠色曲線)。原樣品曲線(黑色曲線)和自我修復樣本 (綠色曲線)高度重疊，表明通過超分子主客體復合物的重構實現了快速自動復位的力學性能。

【小結】

作者以加壓分裂主客體復合物為設計原則，演示了一個簡單的類水雙網絡的肌小節的結構/功能模型。這些類水雙重網絡是可伸縮的、有韌性的、具有高效的能量耗散，并可以通過主客體復合物的重構在室溫下完全自修復。超分子相互作用和化學交連容易結合成單一的系統，這種具備雙重網絡結構的超分子材料在包括人造肌肉、軟骨替代、組織工程和可穿戴電子設備等領域有巨大的應用前景。

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

本文由材料人編輯部高分子學習小組Aaron 整理編譯，材料牛編輯整理。

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