【新唐人北京时间2025年03月27日讯】过去的人造凝胶，只能在高硬度和自愈性上二选一，无法同时保有两种特性。现在，芬兰的科学家研制出一种特殊仿生水凝胶，不仅强韧还能自愈，为药物传输、伤口愈合和人造皮肤等应用打开大门。
日常生活中有许多凝胶物质，包括用于头发的发胶、芦荟胶、果冻和各种胶状物质。另外，人类的皮肤也具有类似凝胶状的特性，但它兼具高刚度和高柔韧性，且还有卓越的自愈能力，能让小伤口在一天内快速愈合。
为此，许多科学家都在寻找能够模仿人类皮肤复杂特性的凝胶，将其用于软体机器人、药物传送、人造皮肤等多方面领域上。
现在，芬兰阿尔托大学（Aalto University）和拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的一组研究人员，克服凝胶原本的限制，共同研制出一种具有独特结构的水凝胶，使其拥有类似人类皮肤的特性。
该研究成果于3月7日发表在《自然材料》杂志上，获得超过2.8万次的观看，超过57家媒体进行报导，在相关的文章中排名第一。
在这项突破性的研究中，研究人员先是将聚丙烯酰胺（PAAm）的单体粉末、完全分层的合成锂蒙脱石纳米片（一种黏土纳米片）与水按照一定比例进行混合，将这些混合物放在紫外线灯下进行照射，让混合物内的单个分子结合（缠结）在一起，凝固成弹力十足的水凝胶。
这种方法制成的水凝胶内含有大量的纳米片，使其与人类皮肤一样坚硬，且具备极高的弹性和柔韧性。其秘密在于单个分子之间紧密缠绕的聚合物，让其拥有愈合的能力，而高机械性能则与黏土纳米片的有序排列有关。
研究人员发现，若PAAm的单体粉末和黏土纳米片与水的比例不同，制成的水凝胶性能会出现显着差异。实验人员最终找到高于1.5 wt%的黏土纳米片，与62 wt%的PAAm制成的水凝胶效果较佳，能够同时保持良好的机械性能和自我修复能力。
此外，4.6 wt%的黏土纳米片与62 wt%的PAAm做出来的水凝胶效果最佳，其极限拉伸强度（UTS）达4.2 MPa，弹性变形强度则达到50 MPa。
研究人员还发现，若PAAm的比例从62 wt%降低至58 wt%，其弹性变形强度和拉伸强度均会大幅下降；而当PAAm含量为40 wt%时，水凝将就会变得柔软有弹性，但会失去原有的硬度。
研究人员还对这些高硬度（黏土纳米片含量超过1.5 wt%）的水凝胶进行切割，以观察水凝胶修复的过程。结果显示，水凝胶材料被切割4小时后，能自我修复80%到90%之间，24小时后基本能够完全恢复。
除此之外，这种水凝胶还能够黏附在玻璃、铝、铜和桦木等基材上，且只需要0.5mm厚和2平方公分（cm2）大小的水凝胶，就能承受2.5公斤的重量。
芬兰阿尔托大学应用物理系教授奥利‧伊卡拉（Olli Ikkala）对该校的新闻室表示，“这项工作展示了生物材料，是如何启发我们探索合成材料的新特性。想像一下拥有坚固、可自我修复的皮肤或合成组织，可以自主修复。尽管距离实际应用还有一段路要走，但这次的结果已经实现关键飞跃。”
阿尔托大学应用物理系博士后张航（音译，Hang Zhang）则补充道，“我们注意到水凝胶里的聚合物层，会像细小的羊毛纱一样相互缠绕形成缠结，且排列顺序是随机的，最终将难以区分这些分子。另外，水凝胶里的分子非常活跃且具有移动性，使它们被切开后依然很快聚合一起（快速愈合）。”
他还表示，“过去，兼具坚硬、强韧且拥有自愈能力的水凝胶一直是挑战。我们发现了一种强化传统软水凝胶的机制，这可能会彻底改变仿生新材料的开发。”
（转自大纪元/责任编辑：叶萍）
