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  將體溫形狀記憶聚合物、高強(qiáng)度、高韌性以及生物相容性等性質(zhì)結(jié)合到同一材料中，是聚合物科學(xué)中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。通過平衡諸如強(qiáng)/弱、剛性/柔性以及結(jié)晶/非晶結(jié)構(gòu)等矛盾，本研究設(shè)計(jì)制備了一種具有體溫響應(yīng)形狀記憶的高性能生物醫(yī)學(xué)彈性體，它通過多尺度增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了類皮膚的特性，其性能遠(yuǎn)超其他常見材料。該材料在細(xì)胞、血液、小動(dòng)物水平上均具有優(yōu)異的生物相容性，且轉(zhuǎn)錄組學(xué)證明其可能存在促進(jìn)細(xì)胞增殖的潛力。

  彈性體因其機(jī)械性能與生物軟組織相似，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。然而，目前合成彈性體的性能與軟組織相比仍不盡人意。近年來，微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展迅速，對對生物醫(yī)用彈性體提出了新的要求，譬如體溫形狀記憶聚合物、高強(qiáng)度、高韌性以及生物相容性等。因此，迫切需要一種新型生物醫(yī)用材料，將形狀記憶性能與類似于甚至優(yōu)于生物軟組織的機(jī)械性能結(jié)合到一種材料中。

  大多數(shù)已報(bào)道的類軟組織彈性體通常存在一些限制，例如需要較弱的交聯(lián)來確保其固有的柔軟性，但這導(dǎo)致了強(qiáng)度和抗撕裂性能較差。此外，形狀記憶性能通常難以與出色的機(jī)械性能共存。更重要的是，醫(yī)用材料的理想形狀記憶應(yīng)在體溫下發(fā)生，這需要精確控制玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或晶體熔點(diǎn)。此外，生物相容性和生物降解性對于醫(yī)用材料來說也至關(guān)重要。因此，解決上述問題需要平衡諸如強(qiáng)/弱、剛性/柔性以及結(jié)晶/非晶結(jié)構(gòu)等眾多矛盾和挑戰(zhàn)。

  近日，清華大學(xué)化工系徐軍課題組與中國中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心邱崇副研究員合作，利用模塊化分子設(shè)計(jì)制備了一種具有體溫響應(yīng)形狀記憶的高性能生物醫(yī)學(xué)彈性體，它通過多尺度增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了類皮膚的特性，其性能遠(yuǎn)超其他常見材料。在設(shè)計(jì)策略上，將應(yīng)變強(qiáng)化所需的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶、抗損傷所需的強(qiáng)弱氫鍵耦合、形狀記憶所需的結(jié)晶控制以及生物降解所需的可水解基團(tuán)引入到一種彈性體中（圖1），從而解決了上述挑戰(zhàn)。所獲得的彈性體具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（約 82.5±3.9 MPa）和拉伸斷裂韌性（約 470±29 MJ/m³），明顯的應(yīng)變硬化行為以及超高的撕裂能（384.7±18.9 kJ/m²）。通過適當(dāng)?shù)那抖涡蛄虚L度和微相分離調(diào)控，材料內(nèi)部的聚己內(nèi)酯嵌段能夠在低溫下結(jié)晶，熔程終點(diǎn)約為37°C，可在體溫下實(shí)現(xiàn)形狀記憶。所設(shè)計(jì)的材料可進(jìn)行 4D 打印，并在細(xì)胞、血液和動(dòng)物水平上具有生物相容性。轉(zhuǎn)錄組結(jié)果表明，該彈性體可上調(diào)與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因，在組織修復(fù)領(lǐng)域具有巨大潛力。

圖2. 彈性體的拉伸性能、微相分離、氫鍵和結(jié)晶

圖3. 高性能的抗損傷和生物降解性

圖4. 高性能彈性體的體溫形狀記憶和4D打印

圖5. 高性能彈性體的轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果

  本研究采用的模塊化設(shè)計(jì)方法為高性能彈性體提供了一種新方法。通過對嵌段化學(xué)結(jié)構(gòu)和序列長度的綜合設(shè)計(jì)，結(jié)合多尺度增強(qiáng)機(jī)制，使新材料能夠?qū)崿F(xiàn)超越傳統(tǒng)材料的性能。相關(guān)研究成果以Damage Resistant and Body-Temperature Shape Memory Skin-Mimic Elastomer for Biomedical Applications為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Science Advances上。清華大學(xué)化工系博士后史家昕為論文第一作者，清華大學(xué)化工系徐軍副教授、中國中醫(yī)科學(xué)院青蒿素研究中心邱崇副研究員為論文通訊作者，清華大學(xué)化工系郭寶華教授、青蒿素研究中心王晨、夏斐副研究員為論文共同作者。青蒿素研究中心研究生涂青超、清華大學(xué)化工系博士生李博參與了部分實(shí)驗(yàn)工作，清華大學(xué)化工系博士畢業(yè)生汪志琦參與了論文示意圖繪制。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國中醫(yī)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金、北京市科技新星計(jì)劃的支持。

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4646