锻造类“干细胞”的聚合物

在生物学领域，干细胞因其能在特定条件下分化为多种功能细胞而备受瞩目。受此启发，科学家们长期致力于通过创造一种多能或“干”聚合物，这种聚合物能够通过外部刺激分化成一系列具有不同特性的不同材料。虽然化学改性一直是改变聚合物性质的主要工具，但是需要额外的材料介入，对资源稀缺地区造成了负担。而在大多数环境中最容易获得的刺激是热。例如，冶金学家通过回火、淬炼等的工艺将钢的机械性能进行有效改性，使其能够满足从刀具到桥梁等不同需求范围。受此启发，如果将具有室温动态thia-Michael键的聚合物网络进行加热控制和冷却循环回火，或许可以获得具有强大机械性能的聚合物薄膜。

近期来自芝加哥大学的Stuart J. Rowan团队将一种单一的聚合物网络进行回火等系列热调节动作，成功开发出来具有不同力学特性的聚合物材料。其功能类似于干细胞概念，能够从单一的聚合物材料通过简单的温度条件分化为具有多种机械性能的多能聚合物材料，例如从硬、脆、软到柔性等性能。这种方法是通过包含thia-Michael键实现的，与聚合物中的共价键相比，thia-Michael键相对较弱，并能在较低温度下重新排列。在较高的回火温度下，thia-Michael网络的交联密度会降低，导致材料的刚度降低，而在较低的温度下回火则会产生更硬的材料。这种材料之所以具有形状记忆特性，是因为结合交联和非结合交联的变化导致了动态反应引起的相分离。

这项工作的创新之处在于描述了一种设计动态共价聚合物网络材料的策略，该材料利用动态网络和相分离之间的协同关系，只需简单地改变回火温度，材料即可实现多样的材料性能。材料同时具有形状记忆特性，通过对材料形状因子和编程的仔细控制可以控制材料响应。材料不仅可以通过控制回火而获得需要的被动性能，而且还可以合理设计以创造适应性强的多功能材料。

图1 多能聚合物的设计过程

图2  N_xY材料的回火工艺

图3  N_xY材料的可再加工性

图4  N₆₃Y材料的强适应性和适中的回火温度

研究者结合可重构键的存在、动态键在回火窗口内的热敏性，以及室温下回火性能的稳定性，采用thia-Michael网络作为探索合成材料回火的原型系统。考虑到N₆₃的室温操作窗口和较大的G′（温度相关存储模量）变化，作者选择N₆₃来进一步研究NxY薄膜回火的潜在机制。实验证明了在特定操作温度下(本研究为室温)回火机械性能的能力，即在不进行何化学修饰的情况下轻松地在这些性能之间切换，并将回火性能保留一个多月。该研究近期发表在Science上，引起了不小的轰动。

该研究进一步展示了如何将生物学中干细胞的功能在材料中找到对应性能，为制造干细胞型材料提供了新思路，未来需要进一步研究这种干细胞材料的适应性，进一步提升干细胞材料在分化后的机械性能。此外，研究其他外部刺激对干细胞材料的分化影响也是一种有潜力的研究方向。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5009