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Nature:生物合成自愈材料,可以为陆军提供个人防护设备

来源:江苏激光联盟 2020-10-21 12:59

 

自愈材料对于在动态和现实环境中运行的软机器人是必不可少的,因为重复的活动会磨损软机器人致动器,这些机器容易受到机械损坏。然而,当前的自修复材料具有限制其实际应用的缺点,例如自愈后低的机械强度(低于兆帕)和长的自愈时间(小时)。来自德国马克斯·普朗克智能系统研究所和美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员介绍了高强度合成蛋白,它们可以在一秒钟内通过局部加热自我修复微观和宏观机械损伤。这些材料经过系统优化,以改善其氢键结合的纳米结构和网络形态,具有可编程的愈合特性(愈合1秒后强度为2-23 MPa),超过其他天然和合成软材料的数量级。这种康复性能为生物启发性材料设计提供了新的机会,并解决了目前用于软机器人和个人防护设备的自愈材料的局限性。

传统的机器人通常由刚性和脆性材料组成。相比之下,在不断发展的软机器人领域,人们探索了柔性和可变形程度大的材料,以实现类似于生物系统的柔顺性(杨氏模量(Young's modulus),又称拉伸模量(tensile modulus)是弹性模量(elastic modulus or modulus of elasticity)中最常见的一种。在kPa至GPa范围内)。柔韧性和复杂的变形使软机器人能够适应不可预测的环境,从而使这些机器人在与人进行物理交互以及在动态环境中操作时更安全。尽管软机通常可以抵抗钝伤(例如,冲击,压缩和弯曲),但由于其固有的柔软性,它们很容易受到机械损坏(刺穿,撕裂和切割),从而限制了其使用寿命和性能。

近年来,在可拉伸的自愈材料的开发已进行了广泛的研究,这些材料在受损后可恢复其结构和性能。当前的自愈策略包括通过血管化或治疗剂的封装进行外在自我修复,以及通过狄尔斯-阿尔德反应(Diels–Alder)和二硫键化学中的动态共价键或通过超分子非共价化学方法(例如氢键结合、金属离子配位、离子相互作用和范德华力)进行固有的自我修复。这些自愈方法中的一些最近已集成到软机器人中,例如软致动器和电子设备等。但是,尽管这些自愈材料有前景,但由于自愈后低的机械强度(低于兆帕)和较长的自愈时间(通常大于24小时)等缺陷,限制了它们的性能和实际应用。

为了克服这些挑战,研究人员使用合成材料生物学工具来合理设计合成串联重复蛋白,并为软机器人应用开发坚固、快速、自愈的材料。最近,设计了蛋白质工程学方法,以通过串联重复氨基酸构建基团和通过滚环扩增DNA组装来合成长度可控的仿生序列文库。

研究人员制造了高强度的合成蛋白,可以模仿自然界中发现的蛋白。就像它们被图案化的生物一样,蛋白质可以自我修复微小和可见的损伤。

现在,一组研究人员拥有一种以鱿鱼齿状牙齿为图案的生物合成聚合物,该聚合物具有自我修复和可生物降解的特性,不仅可以制造用于致动器的材料,而且还可以用于危险品防护服和其他可能导致危险的细孔应用。

为了克服这些挑战,研究人员使用合成材料生物学工具来设计合成串联重复蛋白,并为软机器人应用开发坚固、快速、自愈的材料。设计蛋白质工程学方法使用一系列由基因复制产生的氨基酸组成的DNA串联重复序列,创建了自愈聚合物。利用对鱿鱼物种的蛋白质分析,研究人员设计了由鱿鱼环形牙齿(吸盘内的掠食性牙齿结构)中的蛋白质激发的仿生序列。

由鱿鱼环齿DNA串联重复序列产生的聚合物可以被配制成适用于机器人致动器应用的自愈聚合物。图片来源:宾夕法尼亚州立大学Demirel Lab

在该研究中,研究人员利用鱿鱼启发的合成蛋白的串联重复序列来生成具有系统控制的形态,串联重复序列通常是排列成重复任意次数的一系列短分子,并且具有比先前报道的天然蛋白和其他合成软蛋白更好的自愈合特性(愈合速度和强度高几个数量级)。他们的生物合成蛋白质的自愈性能创造了新的机会,因为这些蛋白质消除了自愈材料中先前存在的局限性(功能丧失、愈合后的机械强度低以及愈合时间长)。(生物谷Bioon.com)

 

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