科學(xué)家開發(fā)出會(huì)“72變”的生物材料：3D打印成任何形狀，還有“好記性”

來(lái)源：前瞻網(wǎng)

任何一個(gè)曾經(jīng)拉直過頭發(fā)的人都知道，水是敵人。經(jīng)過高溫精心拉直的頭發(fā)，一接觸到水，就會(huì)重新變成卷發(fā)。為什么？因?yàn)轭^發(fā)有形狀記憶。它的物質(zhì)特性允許它對(duì)特定的刺激做出改變形狀，對(duì)其它刺激做出反應(yīng)時(shí)又恢復(fù)到原來(lái)的形狀。

如果其它材料，特別是紡織品，也有這種形狀記憶功能呢？想象一下，一件T恤有散熱口，在受潮時(shí)打開，干燥時(shí)關(guān)閉，或者一種適合所有人的尺寸能自動(dòng)伸縮的衣服。

圖片來(lái)源：Luca Cera/Harvard SEAS

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種生物相容性材料，可以被3D打印成任何形狀，并通過可逆形狀記憶預(yù)先編程。這種材料由角蛋白制成，角蛋白是一種存在于頭發(fā)、指甲和貝殼中的纖維蛋白。研究人員從紡織生產(chǎn)中剩下的阿格拉羊毛中提取出角蛋白。

這項(xiàng)研究有助于更廣泛地減少時(shí)尚業(yè)的浪費(fèi)，時(shí)尚業(yè)是地球上最大的污染之一。斯特拉·麥卡錫(Stella McCarthy)等設(shè)計(jì)師已經(jīng)在重新設(shè)計(jì)這個(gè)行業(yè)使用材料的方式，包括羊毛。

“通過這個(gè)項(xiàng)目，我們不僅可以回收羊毛，我們還可以用回收的羊毛制造出以前從未想過的東西。”海洋學(xué)院生物工程和應(yīng)用物理學(xué)的Tarr Family教授、該論文的資深作者基特·帕克（Kit Parker）說?！斑@對(duì)自然資源可持續(xù)性的影響是顯而易見的。利用回收的角蛋白，我們可以做的事情和剪羊毛一樣多，甚至更多，這樣做還可以減少紡織和時(shí)尚行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然材料》上。海洋研究所的博士后研究員、該論文的第一作者盧卡·塞拉(Luca Cera)說，角蛋白改變形狀能力的關(guān)鍵在于它的層次結(jié)構(gòu)。

單一的角蛋白鏈被排列成彈簧狀結(jié)構(gòu)，稱為阿爾法螺旋。其中兩條鏈纏繞在一起形成一種被稱為卷曲螺旋的結(jié)構(gòu)。這些卷曲螺旋中的許多被組裝成原絲，最終形成大的纖維。

“阿爾法螺旋和連接化學(xué)鍵的組織賦予了材料強(qiáng)度和形狀記憶?！?塞拉說。當(dāng)纖維被拉伸或暴露在特定的刺激下，彈簧狀的結(jié)構(gòu)就會(huì)展開，化學(xué)鍵就會(huì)重新組合形成穩(wěn)定的beta板。纖維保持在那個(gè)位置，直到它被觸發(fā)線圈回到原來(lái)的形狀。

為了演示這一過程，研究人員用3D打印出各種形狀的角蛋白薄片。他們用過氧化氫和磷酸一鈉的溶液為這種材料設(shè)定了永久的形狀——當(dāng)它被觸發(fā)時(shí)，總是會(huì)回到原來(lái)的形狀。

一旦記憶設(shè)定好了，薄片就可以重新編程并塑造成新的形狀。例如，一個(gè)角蛋白片被折疊成一個(gè)復(fù)雜的折紙星形作為它的永久形狀。一旦記憶確定下來(lái)，研究人員把星星浸入水中，在那里它展開并具有延展性。從那里，他們把角蛋白片卷成一個(gè)緊密的管狀。一旦干燥，薄片被鎖定作為一個(gè)完全穩(wěn)定和管狀特征。為了逆轉(zhuǎn)這一過程，他們又放回水中，管狀角蛋白片的展開并折疊成折紙星星狀。

塞拉說:“3D打印材料，然后設(shè)定其永久形狀，這兩個(gè)步驟可以制造真正復(fù)雜的形狀，其結(jié)構(gòu)特征可以達(dá)到微米級(jí)?！薄斑@使得這種材料適用于從紡織到組織工程的廣泛應(yīng)用?！?br />
帕克說:“無(wú)論你是用這樣的纖維來(lái)制作每天都可以定制罩杯大小和形狀的胸罩，還是嘗試為醫(yī)療治療制造驅(qū)動(dòng)紡織品，盧卡的工作的可能性是廣泛和令人興奮的?！薄拔覀冋诶^續(xù)通過使用生物分子作為工程基質(zhì)來(lái)重新想象紡織品，就像它們以前從未被使用過一樣?！?br />