近日,南京大學(xué)李承輝副教授和左景林教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用“積弱成強(qiáng)”的策略得到了一種高強(qiáng)度剛性自修復(fù)材料。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種側(cè)鏈含有大量羧基的短鏈聚甲基硅氧烷單體,利用它與金屬鋅形成的弱配位鍵交聯(lián)得到力學(xué)強(qiáng)度非常高的高分子材料,其楊氏模量接近500 MPa。由于金屬鋅與羧酸之間的配位平衡反應(yīng)受溫度控制,當(dāng)溫度升高時(shí)往配合物解離方向移動(dòng),產(chǎn)生游離的短鏈聚甲基硅氧烷單體和金屬鋅離子;而在溫度降低時(shí)往配合物生成方向移動(dòng),重新形成三維交聯(lián)的高分子。因此這種高分子雖然在低溫下呈現(xiàn)硬而脆的性質(zhì),但在加熱時(shí)變得軟而彈,具有良好的熱塑性和熱修復(fù)性。該工作以“A rigid and healable polymer cross-linked by weak but abundant Zn(II)-carboxylate interactions”為題,發(fā)表在Nature Communications, 2018, 9, 2725上。博士生賴建誠(chéng)是論文第一作者,李承輝副教授和左景林教授為該論文的通訊作者。
該材料在多方面具有良好的應(yīng)用前景。其中之一是可進(jìn)行3D打印。3D打印技術(shù)是本世紀(jì)制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)。但3D 打印技術(shù)也有其自身的缺點(diǎn):-
首先,通過(guò)3D打印材料所制備的產(chǎn)品,由于是一次整體成型的,而且都是獨(dú)一無(wú)二的,在自身產(chǎn)生微裂紋或受到外界破壞后,無(wú)法通過(guò)更換零部件的方式進(jìn)行修復(fù),只能整體廢棄。這樣一來(lái),將增加產(chǎn)品的維護(hù)成本,并造成極大的浪費(fèi);
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其次,3D打印產(chǎn)品的尺寸受到打印機(jī)尺寸的限制,通常的3D打印機(jī)無(wú)法打印比自身更大尺寸的物件;
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另外,3D打印中逐層成型的過(guò)程導(dǎo)致所得到的物件機(jī)械力學(xué)性質(zhì)各向異性,在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、變形等破損。
同時(shí),該材料還可用于醫(yī)用外固定支架。外固定材料是臨床骨科與矯形外科常用的消耗性醫(yī)用衛(wèi)生材料。石膏繃帶是目前臨床最常用的外固定材料之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)皮膚無(wú)毒副作用,強(qiáng)度較高,操作時(shí)水溫低。然而,石膏繃帶存在著許多缺陷,如:透X射線性差、透氣性差、質(zhì)量重等,此外,打石膏時(shí)操作復(fù)雜,給醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)許多不便。該研究獲得的高強(qiáng)度剛性自修復(fù)材料在能夠加熱修復(fù)的同時(shí),還具有優(yōu)良的溫敏性質(zhì):常溫下強(qiáng)度非常高,類似于熱固性材料;而在加熱時(shí)(50-70℃)又具有熱塑性材料的性質(zhì),可以反復(fù)加工。從而可以作為外固定材料在臨床骨科與矯形外科中應(yīng)用。相比于同類材料,該材料具有諸多優(yōu)點(diǎn),例如成本低,跟石膏繃帶不相上下;熱變形溫度低,制作使用方便,并且可以適應(yīng)人體任何部位的形狀;強(qiáng)度高,硬度較大且硬化后不變形;對(duì)皮膚無(wú)毒副作用;質(zhì)量輕,不怕水,透氣,不影響傷員的日;顒(dòng);可方便拆卸和循環(huán)利用等。
相關(guān)材料和技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利及國(guó)際專利。
南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院蔣青教授和李瀾博士等也參與部分工作。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及南京大學(xué)博士生創(chuàng)新能力提升計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助。
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