清華新聞網(wǎng)6月16日電 彈性體因其機(jī)械性能與生物軟組織相似，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。然而，目前合成彈性體的性能與軟組織相比仍不盡人意。近年來(lái)，微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)生物醫(yī)用彈性體提出了新的要求，例如體溫形狀記憶、高強(qiáng)度、高韌性以及生物相容性等。因此，迫切需要一種新型生物醫(yī)用材料，將形狀記憶性能與類(lèi)似于甚至優(yōu)于生物軟組織的機(jī)械性能結(jié)合到一種材料中。
大多數(shù)已報(bào)道的類(lèi)軟組織彈性體通常存在一些限制，例如需要較弱的交聯(lián)來(lái)確保其固有的柔軟性，但這導(dǎo)致了強(qiáng)度和抗撕裂性能較差。此外，形狀記憶性能通常難以與出色的機(jī)械性能兼得。更重要的是，醫(yī)用材料的形狀記憶希望在體溫下發(fā)生，這需要精確控制玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或晶體熔點(diǎn)。此外，生物相容性和生物降解性對(duì)于醫(yī)用材料來(lái)說(shuō)也至關(guān)重要。因此，解決上述問(wèn)題需要平衡諸如強(qiáng)/弱、剛性/柔性以及結(jié)晶/非晶結(jié)構(gòu)等眾多矛盾和挑戰(zhàn)。
近日，清華大學(xué)化工系徐軍課題組與中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心邱崇研究員合作，利用軟-硬段序列長(zhǎng)度調(diào)控，制備了一種具有體溫響應(yīng)形狀記憶的高性能生物醫(yī)學(xué)彈性體，它通過(guò)多尺度增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了類(lèi)皮膚的特性，其性能遠(yuǎn)超其他常見(jiàn)材料。在設(shè)計(jì)策略上，將應(yīng)變強(qiáng)化所需的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶、抗損傷所需的強(qiáng)弱氫鍵耦合、形狀記憶所需的結(jié)晶控制以及生物降解所需的可水解基團(tuán)引入到一種彈性體中（圖1），從而解決了上述挑戰(zhàn)。所獲得的彈性體具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（約82.5±3.9MPa）和斷裂韌性（約470±29MJ/m3）、明顯的應(yīng)變硬化行為以及高撕裂韌性（384.7±18.9kJ/m2）。通過(guò)適當(dāng)?shù)那抖涡蛄虚L(zhǎng)度和微相分離調(diào)控，材料內(nèi)部的聚己內(nèi)酯嵌段能夠在低溫下結(jié)晶，熔程終點(diǎn)約為37°C，可在體溫下實(shí)現(xiàn)形狀記憶。所設(shè)計(jì)的材料可進(jìn)行4D打印，并在細(xì)胞、血液和動(dòng)物水平上具有生物相容性。轉(zhuǎn)錄組結(jié)果表明，該彈性體可上調(diào)與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因，在組織修復(fù)領(lǐng)域具有巨大潛力。
圖1.生物醫(yī)用彈性體的分子設(shè)計(jì)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.彈性體的拉伸性能、微相分離、氫鍵和結(jié)晶
圖3.高性能彈性體的抗損傷和生物降解性
圖4.高性能彈性體的體溫形狀記憶和4D打印
圖5.高性能彈性體的轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果
研究通過(guò)對(duì)嵌段化學(xué)結(jié)構(gòu)和序列長(zhǎng)度的綜合設(shè)計(jì)，利用多尺度增強(qiáng)機(jī)制，使新材料能夠?qū)崿F(xiàn)超越傳統(tǒng)材料的性能，為高性能彈性體的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新思路。
6月13日，相關(guān)研究成果以“耐損傷、體溫響應(yīng)形狀記憶的仿生皮膚生物醫(yī)用彈性體”（Damage Resistant and Body-Temperature Shape Memory Skin-Mimic Elastomer for Biomedical Applications）為題，發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。
清華大學(xué)化工系博士后史家昕為論文第一作者，清華大學(xué)化工系副教授徐軍、中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心研究員邱崇為論文通訊作者，清華大學(xué)化工系教授郭寶華、中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心副研究員王晨為論文共同作者。中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心研究生夏斐、涂青超，清華大學(xué)化工系博士生李博參與了部分實(shí)驗(yàn)工作，清華大學(xué)化工系博士畢業(yè)生汪志琦參與了論文示意圖繪制。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)基金、北京市科技新星計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4646
供稿：化工系
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
