仿生智能材料研究進(jìn)展

程希文

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊陵 712100）

1.引言

仿生智能材料所具有的生物相容性、環(huán)境協(xié)調(diào)性貫穿了該材料從材料的獲取、加工投產(chǎn)，再到使用與回收廢棄的整個(gè)生命周期，是一種重要的環(huán)境材料。目前人們大多研究的是其在使用過(guò)程中所帶來(lái)的多功能性與環(huán)境友好性。作為生物材料領(lǐng)域最備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一，仿生智能材料在智能高分子凝膠、智能藥物釋放體系和仿生薄膜材料上都有了新的進(jìn)展。

2.智能高分子凝膠材料

高分子凝膠能夠在極短的時(shí)間內(nèi)吸水，并且具有強(qiáng)大的保水能力，是一種低交聯(lián)度材料。智能高分子凝膠突出了其智能性，在受到環(huán)境刺激時(shí)，材料的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會(huì)隨之變化，具有極高的使用效率，是一種重要的環(huán)境材料。

2.1 形狀記憶和自修復(fù)水凝膠

大多數(shù)的生物體在遇到傷害時(shí)都會(huì)體現(xiàn)其自我修復(fù)的能力。陳濤等研究人員提出在超分子的形狀記憶水凝膠里引入雙網(wǎng)絡(luò)的概念，從而賦予它們卓越的機(jī)械性能[1]。而這樣的性能是其作為環(huán)境材料的重要特征之一。該類(lèi)水凝膠不僅可以作為新型材料應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)與光學(xué)領(lǐng)域，而且其作為環(huán)境材料所具有的高使用效率的特征可以為環(huán)境領(lǐng)域的新型材料研發(fā)提供思路。

2.2 水凝膠皮膚與智能傷口敷料應(yīng)用

應(yīng)用于臨床中與人體密切接觸的材料、器物必須要有極高的生物相容性，否則極易發(fā)生嚴(yán)重的生物體排斥反應(yīng)。Xuanhe Zhao等人提出將親水的聚合物插入各種聚合物的表面，從而自然形成“水凝膠皮膚”。這種人工制造的皮膚具有生物組織一樣的柔軟性，且具有卓越的機(jī)械魯棒性、低摩擦性、防污性能和離子電導(dǎo)性[2]。

而新穎的智能傷口敷料則是Xuanhe Zhao等人通過(guò)將可拉伸導(dǎo)體、功能芯片、藥物輸送通道和儲(chǔ)層集成到可拉伸、堅(jiān)固且生物相容的水凝膠基質(zhì)中而設(shè)計(jì)[3]。該設(shè)計(jì)能夠感受人體皮膚上不同位置的溫度，從而向不同位置的皮膚釋放藥物，并且保持藥物的持續(xù)釋放。該類(lèi)材料在使用的過(guò)程中無(wú)毒無(wú)害，能夠有效減少污染，無(wú)論是對(duì)生態(tài)環(huán)境還是對(duì)于人體健康都有極大的益處。

2.3 智能水凝膠化學(xué)閥

李嘉珣等研究人員通過(guò)模擬高分子凝膠在溫度——電場(chǎng)耦合中變化的規(guī)律，證明了這種仿生智能材料在變化過(guò)程中其形態(tài)功能完全可逆，并且可以被精確控制，從而成為化學(xué)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的控制[4]。

2.4 人工肌肉

早些年Bassil, M等人對(duì)水凝膠的特性進(jìn)行綜合研究，探明了電場(chǎng)引起的水凝膠的彎曲機(jī)理，并解釋了驅(qū)動(dòng)過(guò)程中pH對(duì)水凝膠基質(zhì)作用的原理[5]。隨后，Bian W等研究人員就水凝膠可精確、大量地復(fù)制制造仿生三維肌肉組織提出了具體的方法[6]。這種可以植入人體、應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)的人工肌肉極好地體現(xiàn)了仿生智能材料作為一種環(huán)境材料的生物相容性，并在其使用的過(guò)程中體現(xiàn)了環(huán)境友好的理念。

2.5 凝膠降溫應(yīng)用

在建筑類(lèi)材料上，瑞士WendelinStark團(tuán)隊(duì)仿照恒溫動(dòng)物的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，研制了一種新型溫度敏感型水凝膠，并將其應(yīng)用于房屋的頂部[7]。通過(guò)蒸發(fā)凝膠內(nèi)部水分，使屋頂?shù)臏囟确€(wěn)定在35℃。新型水凝膠可以使房屋中空調(diào)降溫等設(shè)施的能耗與溫室氣體排放量顯著降低60%。在該材料的生命周期中，能夠以最低的環(huán)境負(fù)荷發(fā)揮最大的使用功能，給人類(lèi)帶來(lái)很強(qiáng)的舒適性，彰顯著這種仿生智能材料極強(qiáng)的使用性能與環(huán)境性能。

3.智能藥物釋放體系

智能藥物釋放體系是仿生智能材料研究的熱點(diǎn)之一。該體系的特點(diǎn)是能在特定時(shí)間釋放特定劑量的藥物，且具有反饋機(jī)制[8]。在感受到外界環(huán)境的疾病刺激時(shí)，智能材料發(fā)生膨脹，藥物從膨脹后的孔隙中滲出。疾病信息的消失通過(guò)自動(dòng)反饋系統(tǒng)傳遞給控制系統(tǒng)，智能材料就會(huì)收縮緊緊包裹藥物，達(dá)到定量釋放的目的。其環(huán)境友好性主要體現(xiàn)在控制藥物釋放，盡可能減少多余的藥物的殘留對(duì)于環(huán)境造成的危害。

3.1 pH響應(yīng)型

在pH響應(yīng)的機(jī)制中，廣泛應(yīng)用的有生產(chǎn)業(yè)農(nóng)藥釋放。例如陳龍等研究人員研制的葉面緩釋微膠囊[9]。該膠囊在特定pH爆釋?zhuān)黾恿怂幬镝尫艜r(shí)刻的可操控性，實(shí)現(xiàn)了智能化。值得一提的是，藥物智能化釋放所節(jié)省的不必要損耗增加了該體系的經(jīng)濟(jì)性能，并且減少多余藥物釋放到環(huán)境所帶來(lái)的環(huán)境性能也值得關(guān)注。

另外，應(yīng)用于人體健康的藥物釋放，例如口服類(lèi)藥物等需經(jīng)消化道的藥物被凝膠材料包裹后，在消化道從酸性到弱堿性的過(guò)程中可以達(dá)到定點(diǎn)釋放的目的。但是由于個(gè)體差異給pH響應(yīng)體系的生理觸發(fā)功能帶來(lái)阻礙，因此在實(shí)現(xiàn)臨床精準(zhǔn)用藥上需求仍十分迫切。

3.2 磁響應(yīng)型

Tiffany等研究人員對(duì)磁鐵礦-納米顆粒和磁鐵礦-對(duì)乙酰氨基酚的兩種構(gòu)型的玉米蛋白膜進(jìn)行擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)[10]，提出磁石納米粒子在外界磁場(chǎng)的變化下可以打開(kāi)或關(guān)閉擴(kuò)散通路，因此可以通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)來(lái)控制藥物釋放。該類(lèi)非接觸式的響應(yīng)過(guò)程運(yùn)用遠(yuǎn)程激活系統(tǒng)，研究了使用磁響應(yīng)受控釋放作為一種替代非入侵性的方法，具有極強(qiáng)的生物相容性。

該體系在應(yīng)用過(guò)程中，不僅可以節(jié)省藥物資源，還可以防止藥物無(wú)差別釋放對(duì)人體不同部位造成傷害。值得一提的是，其生物相容性給人體帶來(lái)的益處也是不可估量的。

4.仿生薄膜材料

仿生薄膜材料也是一種重要的環(huán)境材料，其模擬自然界生物膜系統(tǒng)的選擇滲透性功能，從而實(shí)現(xiàn)信息流的傳遞或物質(zhì)分離等一系列的智能化操作過(guò)程。

4.1 人工視網(wǎng)膜

結(jié)合仿生智能的理念，范智勇等人在半球形多孔氧化鋁膜內(nèi)形成高密度的佩羅夫斯基特納米線(xiàn)陣列制成了人造的視網(wǎng)膜，并且成功研發(fā)世界首個(gè)3D人工眼球[11]。雖然目前距離應(yīng)用到臨床中還需大量的時(shí)間與試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，但是仍給予了眼盲者們極大的希望。

該類(lèi)應(yīng)用于人體的仿生薄膜材料具有極強(qiáng)的生物相容性，相較于傳統(tǒng)材料，給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷也相對(duì)較少，是一種新型環(huán)境材料。

4.2 仿生智能傳感器

杜學(xué)敏等人利用仿生學(xué)的理念結(jié)合溶劑分子在聚合物智能薄膜中的差異性溶脹研發(fā)了丙酮刺激型的薄膜[12]。目前實(shí)現(xiàn)永動(dòng)裝置仍然存在巨大的阻礙，例如運(yùn)用濕度響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的裝置在過(guò)飽和后便不可逆，而這種丙酮蒸汽薄膜傳感器在實(shí)際的運(yùn)用中因其智能性，可以執(zhí)行大規(guī)模的變形而永不疲勞。并且由于其可應(yīng)用于化工企業(yè)丙酮濃度監(jiān)測(cè)或結(jié)合能量采集成為原始驅(qū)動(dòng)力，因此也呈現(xiàn)出了多樣性的特征。

循環(huán)再利用是該類(lèi)材料的核心思想，它極大地減少了在環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)于消耗性物品的使用，所帶來(lái)的技術(shù)革新降低了儀器更新?lián)Q代的頻率。由于其還可以能量采集的原始驅(qū)動(dòng)力，極大地拓寬了人們的視野，給環(huán)境材料的研究提供了新的思路。由此可見(jiàn)，這類(lèi)新型材料具有極強(qiáng)的環(huán)境性能，使用性能與經(jīng)濟(jì)性能，是一種重要的環(huán)境材料。

5.前景

自然界中的生物千變?nèi)f化，其中蘊(yùn)含的規(guī)律值得我們持續(xù)探尋。仿生智能材料作為一種新型環(huán)境材料，不僅能夠感知、響應(yīng)與反饋周?chē)h(huán)境帶來(lái)的刺激并且兼具環(huán)境材料的優(yōu)良特性，而且具有強(qiáng)大的環(huán)境協(xié)調(diào)性。因此，仿生智能材料必然成為環(huán)境領(lǐng)域前進(jìn)的方向，引領(lǐng)時(shí)代科技發(fā)展的潮流！