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�！焙Ｑ髮W(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，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�！�

帕克說:“無論你是用這樣的纖維來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。”“我們正在繼續(xù)通過使用生物分子作為工程基質(zhì)來重新想象紡織品，就像它們以前從未被使用過一樣�！�