直到现在，人工水凝胶要么成功复制了高刚度，要么模拟了自然皮肤的自我修复特性，但两者都无法兼得。现在，一组研究人员开发了一种具有独特结构的水凝胶，克服了早期的局限性，为药物递送、伤口愈合、软机器人传感器和人工皮肤等应用开辟了道路。
我们在日常生活中都接触到水凝胶——从您放在头发上的柔软粘稠物质，到各种食品中的果冻状成分。虽然人类皮肤具有类似水凝胶的特性，但其独特品质非常难以复制。它结合了高刚度与灵活性，并且具有显著的自我修复能力，通常在受伤后24小时内可以完全愈合。
截至目前，人工水凝胶要么成功复制这种高刚度，或者自然皮肤的自我修复特性，但两者都没有做到。现在，来自阿尔托大学和拜罗伊特大学的研究团队首次开发出一种具有独特结构的水凝胶，克服了早期的限制，为药物递送、伤口愈合、软机器人传感器和人工皮肤等应用开辟了新的可能性。
在这一突破性研究中，研究人员向通常柔软的水凝胶中添加了尤其大且超薄的特定粘土纳米片。结果是形成了一种高度有序的结构，纳米片之间密集纠缠的聚合物，不仅改善了水凝胶的机械性能，还使材料能够自我修复。
该研究于3月7日在期刊《自然材料》上发表。
通过“纠缠”进行自我修复
这种材料的秘密不仅在于纳米片的有序排列，还在于它们之间纠缠的聚合物——这一过程简单得就像烘焙。博士后研究员陈亮将含有纳米片的水与单体粉末混合。然后将混合物放在紫外灯下——类似于用于固化胶指甲油的灯。亮解释道：“灯发出的紫外线辐射使单个分子结合在一起，使一切变成弹性固体——即水凝胶。”
阿尔托大学的张航补充说：“纠缠意味着薄聚合物层像小羊毛纱线一样开始相互扭转，但顺序是随机的。当聚合物完全纠缠在一起时，它们之间就无法区分。它们在分子层面上非常动态和移动，当你切割它们时，它们又会开始相互交织。”
在用刀切割材料四个小时后，该材料已经自我修复了80%或90%。24小时后，通常会完全修复。此外，一毫米厚的水凝胶包含10,000层纳米片，使得该材料的刚度与人类皮肤相当，同时赋予其相当的拉伸和灵活性。
张说：“刚性、强度和自我修复的水凝胶一直是一个挑战。我们发现了一种机制来增强传统柔软水凝胶的强度。这可能会彻底改变具有生物启发特性的材料的开发。”
从自然中汲取灵感
阿尔托大学的奥利·伊卡拉表示：“这项工作是一个令人兴奋的例子，表明生物材料如何启发我们探索合成材料的新特性组合。想象一下，具有强大自我修复皮肤的机器人或能够自动修复的合成组织。”尽管在现实世界应用中可能还有一些路要走，但当前的结果代表了一个关键的飞跃。“这是一种能够更新材料设计规则的基础性发现。”
这项合作由张航博士、奥利·伊卡拉教授和约瑟夫·布劳教授领导。合成粘土纳米片由德国拜罗伊特大学的约瑟夫·布劳教授设计和制造。
