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德美研發快速自修復生物材料
發布時間:2020-08-04     作者:李山   來源:科技日報   分享到:

近日,德國馬克斯·普朗克智能系統研究所和美國賓夕法尼亞州立大學的科學家聯合研發一種生物合成蛋白材料,通過強化串聯重復多肽的愈合性能,成功解決了自修復軟材料目前的局限性。該研究有望在軟機器人領域獲得重要應用,相關成果發表在近日的《自然材料》雜志上。

自修復材料是一類擁有結構上具有自愈合能力的智能材料。近年來,人工合成的自修復生物材料越來越受到科學家的關注,其靈感來自于在受傷后能自我修復的生物系統。

目前,科學家合作研發一種高強度合成蛋白,可以在很短的時間內自我修復微觀和宏觀的機械損傷,完全恢復其結構和性能,并且具有可編程的愈合特性。這種愈合性能為生物啟發性材料設計提供了新的機會,并解決了目前用于軟機器人和個人防護設備的自修復材料的局限性。

賓夕法尼亞州立大學的德米雷爾教授說,我們改變了章魚觸手蛋白質的分子結構,以便將材料的自我修復能力發揮到極致。在自然界中,自我修復需要很長時間,例如24小時。現在,我們將修復過程縮短到1秒鐘。

研究團隊主要成員馬克斯·普朗克智能系統研究所的阿布頓·佩納-弗朗切斯博士解釋道,章魚需要更長的時間才能愈合,因為其觸手中的蛋白質分子只是簡單地交織在一起。而在實驗室開發的材料中,我們改變了分子的納米結構,使它們相互連接。這些材料經過系統優化,以改善其氫鍵結合的納米結構和網絡形態,具有可編程的愈合特性(愈合1秒后強度為2至23MPa),愈合速度和強度均超過其他天然與合成軟材料幾個數量級。

馬克斯·普朗克智能系統研究所的梅廷·西蒂教授帶領其團隊研究了如何在軟體機器人中使用這種自修復軟材料。研究人員設計并制造了一種氣動軟促動器,并構建軟夾持器,這是軟機器人技術在食品、制藥、包裝和零售行業中很有希望的應用。此外,生物合成蛋白材料還提供了一個有前途的平臺,可以使軟機器人更接近于模擬復雜的生物系統,并為多功能軟機器人提供了廣闊的設計空間。

總編輯圈點

人的皮膚被劃傷后,傷口過一段時間會自動愈合。如果用來制造各種產品、設備的材料,也可以在磨損、開裂之后實現自動修復,豈不是可以延長它們的壽命,并保證其性能的穩定?于是乎,自修復材料模仿生物體損傷愈合的原理應運而生。上述最新研究便是從章魚觸手中獲得啟發。自修復材料既可以通過加熱的方式來實現,也可以通過在材料內部分散或復合一些功能性物質來實現。該研究更偏向于后者,其研究成果將在智能軟機器人領域大有用武之地。

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