水刚度自适应弹性体粘土仿生复合材料

(a) 壳聚糖改性蒙脱土薄膜扫描电镜照片,插图:壳聚糖改性蒙脱土薄膜照片; (b) 改性蒙脱土含量对聚氨酯粘土复合材料弹性模量的水响应以及pH值依赖性的影响。

通过对自然生命行为的研究和模仿,科研人员开发了大量新颖实用的“仿生”材料。以海参为代表的棘皮动物在受到外来威胁时躯体会迅速变硬以保护自己,且此过程仅需几秒钟。等威胁解除后,其身体会恢复到柔软的常态。研究发现海参的这个生存技能是通过其真皮中的纳米复合材料结构来实现的。海参真皮中含有大量具有增强作用的高强度胶原纤维。通过调控邻近的胶原纤维之间的相互作用,海参可以改变胶原纤维之间的应力传递效率,从而实现对自己表皮组织软硬程度的控制。受此机理启发,科研人员提出了刚度自适应聚合物复合材料概念。这种材料的刚度可以对诱导物质 (例如水分子)有选择、可控制地响应。水刚度自适应聚合物复合材料可以被应用于体液诱导形状记忆及变形生物医用器件等等。

最近,英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)材料系陈碧琼博士课题组设计出一种低成本、高性能的水刚度自适应弹性体粘土复合材料。该复合材料由聚氨酯基体以及嵌在其中的经壳聚糖表面改性的蒙脱土构成,其弹性模量大小和水响应程度受蒙脱土颗粒的含量以及颗粒之间的界面作用强弱所支配。粘土是一种层状无机硅酸盐,通常被广泛应用为聚合物的填充物以提高其力学性能,气体阻隔性能以及阻燃能力。此研究开辟了功能聚合物粘土复合材料研究的新思路,并为未来智能生物医疗器械的开发提供了一种经济有效的新型材料。