Nature重磅：5篇最新高分子材料綜述

　　Nature官網(wǎng)在線之前發(fā)布5篇與高分子材料相關(guān)的綜述：1、來自可再生資源的可持續(xù)性聚合物;2、具有自主生命周期控制的聚合物;3、作為3D打印的軟材料; 4、塑料生物電子學(xué)的興起 ;5、仿生聚合物在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

　　1、來自可再生資源的可持續(xù)性聚合物

　　圖1 從不同的植物油中提取的可持續(xù)性聚合物

　　近年來，像二氧化碳、萜烯、植物油和碳水化合物等可再生資源被越來越多地應(yīng)用于聚合物合成領(lǐng)域，用以制備包括彈性體、水凝膠、樹脂基復(fù)合材料等可持續(xù)材料和產(chǎn)品。而催化劑高效的催化作用對于單體的合成、選擇性聚合反應(yīng)的促進(jìn)以及廢棄材料的循環(huán)利用都具有十分重要的意義。因此可持續(xù)聚合物材料具有很好的應(yīng)用前景。

　　牛津大學(xué)的Charlotte K.Williams等人對利用可再生資源制備的可持續(xù)性聚合物做出了詳細(xì)的綜述。利用可再生資源生產(chǎn)的聚合物，其性能十分優(yōu)越，但生產(chǎn)過程仍存在諸多挑戰(zhàn)，例如成本高，耐用性不足等問題。研究人員還對可持續(xù)聚合物的前景做了展望：可再生原料制備的可持續(xù)聚合物將在生態(tài)材料領(lǐng)域占有重要的地位，因此，人們需要將廢棄物進(jìn)行更有效的回收利用或者生物降解。

　　圖2 綜述總覽圖

　　文獻(xiàn)鏈接：Sustainable polymers from renewable resources ( Nature， 2016， DOI： 10.1038/nature 21001 )

　　2、具有自主生命周期控制的聚合物

　　圖3 具有自動(dòng)修復(fù)功能的聚合物材料的多尺寸策略

　　人造材料的壽命主要受日常使用的磨損、環(huán)境壓力以及意外損害而導(dǎo)致報(bào)廢。人工智能材料能夠通過模仿生命體系的自愈、報(bào)告、愈合甚至再生組織等功能來應(yīng)對損傷所造成的影響，從而增加其壽命、安全以及可持續(xù)性。目前，研究人員已經(jīng)成功研發(fā)了幾種基于聚合物來實(shí)現(xiàn)這些功能的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然具有挑戰(zhàn)性。

　　基于高分子材料良好的自愈、傳感和報(bào)告等屬性，來自伊利諾伊大學(xué)貝克曼先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所的Jason F. Patrick等人綜述了如何開發(fā)具有生命周期的功能高分子材料，并概述了其基本性能標(biāo)準(zhǔn)和材料設(shè)計(jì)原則，以此來指導(dǎo)開發(fā)實(shí)際應(yīng)用的體系。除了取代現(xiàn)有的某些材料，將自修復(fù)聚合物結(jié)合醫(yī)學(xué)治療也給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供了新的思路。未來的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)聚合物生命周期的自主控制，而現(xiàn)在該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)是：需要通過提供智能、安全、性能更持久的材料來改善可持續(xù)性的問題。

　　圖4 綜述總覽圖

　　文獻(xiàn)鏈接：Polymers with autonomous life-cycle control ( Nature， 2016， DOI： 10.1038/nature21002 )

　　3、作為3D打印的軟材料

　　圖5 通用光基和墨基的3D打印技術(shù)

　　無需昂貴的工具、模具或印刷石板，光基或是墨基的三維(3D)打印就能夠進(jìn)行快速設(shè)計(jì)并制備出所需的材料。受生物學(xué)啟發(fā)，研究人員開發(fā)的疊加式制造(包括廣泛的基于光基/墨基的印刷技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造對象的三維(3D)化)正在改變先進(jìn)材料的進(jìn)展。與傳統(tǒng)模具的制造方法相比，數(shù)字化裝配可以在計(jì)算機(jī)的輔助下根據(jù)需要迅速地設(shè)計(jì)出復(fù)雜的三維對象。

　　哈佛大學(xué)的Ryan L. Truby和Jennifer A. Lewis對此做了綜述并展望其擁有十分廣闊的應(yīng)用前景：將軟物質(zhì)引入光基和墨基3D打印技術(shù)，其功能主要在于增強(qiáng)了印刷速度和不同材料的集成能力。數(shù)字設(shè)計(jì)和疊加式制造的技術(shù)融合，加速了三維四維印刷技術(shù)的發(fā)展，而該方法也越來越受到科研界以及世界各地的工業(yè)設(shè)計(jì)師和工程師的關(guān)注。然而，目前的3D打印技術(shù)仍然存在制備時(shí)間長、成本高、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。因此必須開發(fā)新型3D打印機(jī)，使其能夠高速地連續(xù)生產(chǎn)。

　　圖6 綜述總覽圖

　　文獻(xiàn)鏈接：Printing soft matter in three dimensions ( Nature， 2016， DOI：10.10.38/nature21003 )

　　4、塑料生物電子學(xué)的興起

　　圖7 塑料生物電子的多樣性

　　生物電子塑料主要是通過聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，然后結(jié)合軟體有機(jī)電子器件，從而能夠應(yīng)用于生物和電子表面。該電子材料設(shè)備柔軟、可伸縮且能夠機(jī)械調(diào)整。在生物系統(tǒng)中，可穿戴和可植入是其最重要的特點(diǎn)。目前的研究重點(diǎn)在于改善這些設(shè)備，以使電子與生物界面盡可能無縫連接。但當(dāng)前的許多醫(yī)療植入物和設(shè)備，如心臟起搏器、心電圖傳感器和智能內(nèi)窺鏡均依賴于硅微電子技術(shù)，其電子模塊的大小使其僅能夠被用于單點(diǎn)健康監(jiān)測。

　　來自日本東京大學(xué)的Takao Someya等人對應(yīng)用于生物領(lǐng)域的軟電子材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述并探討了其未來的發(fā)展和挑戰(zhàn)。研究人員強(qiáng)調(diào)了聚合物電子材料與無機(jī)電子材料高效的協(xié)同效應(yīng)。塑料生物電子學(xué)的終極目標(biāo)是人和機(jī)器之間的雙向無縫連接。塑料與無機(jī)材料之間的協(xié)同效應(yīng)以及高性能無機(jī)材料混合設(shè)備將加速擴(kuò)大生物電子學(xué)的發(fā)展。或許某天，仿生界面和與生物電子塑料作為身體的一部分將會(huì)成為一種常態(tài)。

　　圖8 綜述總覽圖

　　文獻(xiàn)鏈接：The rise of plastic bioelectronics ( Nature， 2016， DOI：10.1038/nature21004 )

　　5、仿生聚合物在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

　　圖9 仿生材料在組織粘合劑和涂料上的應(yīng)用

　　通過模仿自然，大量的仿生材料不斷地沖擊著我們的想象力。隨著人們對生物學(xué)的理解和工程能力的發(fā)展，生物材料可以同時(shí)具備更加復(fù)雜的化學(xué)生物特性來實(shí)現(xiàn)具體的治療效果。其中，通過模仿生物界面組織來設(shè)計(jì)聚合物從而實(shí)現(xiàn)治療具有十分重要的意義。

　　美國約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Jordan J. Green 和 Jennifer H. Elisseeff綜述了如何將這些仿生聚合物應(yīng)用于生物的各種組織及界面。高分子材料可以用來模擬局部組織屬性、化學(xué)成分和力學(xué)性能等。研究人員還希望材料具有活躍的生物傳感功能，并且能夠刺激周圍環(huán)境。然而，在臨床應(yīng)用中，利用仿生聚合材料治療異常病變的病人依舊非常復(fù)雜且難以控制，這將是未來仿生聚合物發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。

　　圖10 綜述總覽圖

　　文獻(xiàn)鏈接：Mimicking biological functionality with polymers for biomedical applications( Nature， 2016， DOI：10.1038/nature21005 )