自復原、抗裂的細胞凝膠微纖維：受到蜘蛛絲啟發的新發現
近年來材料科學家致力於創造具有各種有利特性的新材料，這些材料可增強不同技術和裝置的效能。這些有利特性包括：基於細胞凝膠的纖維和人造皮膚技術，有助於製造軟性人形機器人、假肢、甚至舒適的智慧型衣服或可穿戴裝置。中國東華大學的研究人員最近創造了新的基於細胞凝膠的微纖維，具有強韌、自復原和抗裂的能力，這些微纖維是透過受到蜘蛛紡網過程啟發而製造。飛英格瑞德在 Tech Xplore 上報導了這項發現。
蜘蛛絲啟發技術的發現
中國東華大學研究人員發現，雖然已經合成了大量仿生細胞凝膠纖維，仿效蜘蛛絲、肌肉和神經細胞等生物纖維的基本功能，但其中大多數纖維耐損性很差，這大大約束了它們的耐用性。他們因此可以參考蜘蛛絲的結構，該結構代表著已知的各種天然生物材料的韌性極限，並思考解決該問題的方法。
在蜘蛛絲中，蜘蛛使用水性溶液緊密排列蛋白質分子來紡出非常強韌的絲綢網，這些織物具有有利的機械特性，其構建遵循階層性的奈米受限結構。東華大學的研究人員結合了一種親水性的陽離子聚電解質和聚甲基丙烯酸(PMAA)形成離子複合物，做出了細胞凝膠微纖維。研究人員解釋說：“在形成的纖維材料中，PMAA 可以形成強的氫鍵簇，嵌入陽離子聚電解質/PMAA 的軟基質中，從而模仿蜘蛛絲的奈米受限結構，這有助提高材料的機械效能。”
自復原和抗裂的細胞凝膠微纖維
研究人員使用稱為浸漬拉伸紡出的方式，在常溫下製作了這些細胞凝膠微纖維，就像蜘蛛在製造紡網時一樣。研究人員使用互補的聚離子（陽離子聚電解質和聚甲基丙烯酸），透過“水的蒸發過程”產生了聚甲基丙烯酸水平礦化物（氫鍵簇），家長了仿生孔洞的結構。在評估中，研究人員發現，創造的微纖維具有高遮擋能力和抗裂能力，並且對濕氣非常敏感，當損壞時能迅速“自復原”，保留特定的形狀。"
研究人員進一步指出，現有的高機械效能要求強的共價鍵結，而快速修復能力需要高動態網路，這是固有的矛盾。他們透過採用模仿蜘蛛絲奈米受限結構的方法解決這個問題。同時研究人員發現這種自復原、抗裂的細胞凝膠微纖維得益於 PMAA 鏈的自下而上排列，建立了三級層次的奈米受限結構，從而讓這些纖維具有“非常高”的機械效能。
未來展望
材料科學家使用奈米受限結構和類似的紡綸過程創造出高效能的纖維材料，並由此將這些受蜘蛛絲啟發的細胞凝膠微纖維應用並評估其在真實環境中可能的效應，例如，作為假肢或可穿戴裝置的激勵纖維。未來，研究人員計劃透過加固奈米晶體的作用來改善細胞凝膠微纖維的機械效能，從而使其達到能與真正的蜘蛛絲相當的強度。
結論
隨著技術和科學的飛速發展，創新和發現層出不窮，開創了從人工智慧到機器人，從可穿戴裝置到仿生學的新領域。研究人員透過受自然界的啟發，對生物物質如蜘蛛絲的結構進行了深入研究，創造了基於細胞凝膠的細胞凝膠微纖維，其仿生孔洞結構形成了三重層次的奈米晶體，具有良好的抗裂和自復原能力。這項發現將促進建造更高效能的可穿戴裝置和假肢，也帶來了其他有用的應用領域。
