科学家开发出会“72变”的生物材料:3D打印成任何形状,还有“好记性”

3D打印快讯
2020
09/07
14:11
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来源:前瞻网

任何一个曾经拉直过头发的人都知道,水是敌人。经过高温精心拉直的头发,一接触到水,就会重新变成卷发。为什么?因为头发有形状记忆。它的物质特性允许它对特定的刺激做出改变形状,对其它刺激做出反应时又恢复到原来的形状。

如果其它材料,特别是纺织品,也有这种形状记忆功能呢?想象一下,一件T恤有散热口,在受潮时打开,干燥时关闭,或者一种适合所有人的尺寸能自动伸缩的衣服。

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图片来源:Luca Cera/Harvard SEAS

现在,哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种生物相容性材料,可以被3D打印成任何形状,并通过可逆形状记忆预先编程。这种材料由角蛋白制成,角蛋白是一种存在于头发、指甲和贝壳中的纤维蛋白。研究人员从纺织生产中剩下的阿格拉羊毛中提取出角蛋白。

这项研究有助于更广泛地减少时尚业的浪费,时尚业是地球上最大的污染之一。斯特拉·麦卡锡(Stella McCarthy)等设计师已经在重新设计这个行业使用材料的方式,包括羊毛。

“通过这个项目,我们不仅可以回收羊毛,我们还可以用回收的羊毛制造出以前从未想过的东西。”海洋学院生物工程和应用物理学的Tarr Family教授、该论文的资深作者基特·帕克(Kit Parker)说。“这对自然资源可持续性的影响是显而易见的。利用回收的角蛋白,我们可以做的事情和剪羊毛一样多,甚至更多,这样做还可以减少纺织和时尚行业对环境的影响。”

这项研究发表在《自然材料》上。海洋研究所的博士后研究员、该论文的第一作者卢卡·塞拉(Luca Cera)说,角蛋白改变形状能力的关键在于它的层次结构。

单一的角蛋白链被排列成弹簧状结构,称为阿尔法螺旋。其中两条链缠绕在一起形成一种被称为卷曲螺旋的结构。这些卷曲螺旋中的许多被组装成原丝,最终形成大的纤维。

“阿尔法螺旋和连接化学键的组织赋予了材料强度和形状记忆。” 塞拉说。当纤维被拉伸或暴露在特定的刺激下,弹簧状的结构就会展开,化学键就会重新组合形成稳定的beta板。纤维保持在那个位置,直到它被触发线圈回到原来的形状。

为了演示这一过程,研究人员用3D打印出各种形状的角蛋白薄片。他们用过氧化氢和磷酸一钠的溶液为这种材料设定了永久的形状——当它被触发时,总是会回到原来的形状。

一旦记忆设定好了,薄片就可以重新编程并塑造成新的形状。例如,一个角蛋白片被折叠成一个复杂的折纸星形作为它的永久形状。一旦记忆确定下来,研究人员把星星浸入水中,在那里它展开并具有延展性。从那里,他们把角蛋白片卷成一个紧密的管状。一旦干燥,薄片被锁定作为一个完全稳定和管状特征。为了逆转这一过程,他们又放回水中,管状角蛋白片的展开并折叠成折纸星星状。

塞拉说:“3D打印材料,然后设定其永久形状,这两个步骤可以制造真正复杂的形状,其结构特征可以达到微米级。”“这使得这种材料适用于从纺织到组织工程的广泛应用。”

帕克说:“无论你是用这样的纤维来制作每天都可以定制罩杯大小和形状的胸罩,还是尝试为医疗治疗制造驱动纺织品,卢卡的工作的可能性是广泛和令人兴奋的。”“我们正在继续通过使用生物分子作为工程基质来重新想象纺织品,就像它们以前从未被使用过一样。”


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