Nature重磅:高分子材料最新综述5篇!



 Nature官网在线之前发布5篇与高分子材料相关的综述:1、来自可再生资源的可持续性聚合物;2、具有自主生命周期控制的聚合物;3、作为3D打印的软材料; 4、塑料生物电子学的兴起 ;5、仿生聚合物在生物医学上的应用。

1、来自可再生资源的可持续性聚合物

 

图1 从不同的植物油中提取的可持续性聚合物

近年来,像二氧化碳、萜烯、植物油和碳水化合物等可再生资源被越来越多地应用于聚合物合成领域,用以制备包括弹性体、水凝胶、树脂基复合材料等可持续材料和产品。而催化剂高效的催化作用对于单体的合成、选择性聚合反应的促进以及废弃材料的循环利用都具有十分重要的意义。因此可持续聚合物材料具有很好的应用前景。

牛津大学的Charlotte K.Williams等人对利用可再生资源制备的可持续性聚合物做出了详细的综述。利用可再生资源生产的聚合物,其性能十分优越,但生产过程仍存在诸多挑战,例如成本高,耐用性不足等问题。研究人员还对可持续聚合物的前景做了展望:可再生原料制备的可持续聚合物将在生态材料领域占有重要的地位,因此,人们需要将废弃物进行更有效的回收利用或者生物降解。

图2 综述总览图

文献链接: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

 

图3 具有自动修复功能的聚合物材料的多尺寸策略

人造材料的寿命主要受日常使用的磨损、环境压力以及意外损害而导致报废。人工智能材料能够通过模仿生命体系的自愈、报告、愈合甚至再生组织等功能来应对损伤所造成的影响,从而增加其寿命、安全以及可持续性。目前,研究人员已经成功研发了几种基于聚合物来实现这些功能的方法,但在实际应用中仍然具有挑战性。

基于高分子材料良好的自愈、传感和报告等属性,来自伊利诺伊大学贝克曼先进科学与技术研究所的Jason F. Patrick等人综述了如何开发具有生命周期的功能高分子材料,并概述了其基本性能标准和材料设计原则,以此来指导开发实际应用的体系。除了取代现有的某些材料,将自修复聚合物结合医学治疗也给产品设计师提供了新的思路。未来的目标是实现整个聚合物生命周期的自主控制,而现在该领域所面临的挑战是:需要通过提供智能、安全、性能更持久的材料来改善可持续性的问题。

图4 综述总览图

文献链接:Polymers with autonomous life-cycle control ( Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature21002 )

3、作为3D打印的软材料

 

图5 通用光基和墨基的3D打印技术

无需昂贵的工具、模具或印刷石板,光基或是墨基的三维(3D)打印就能够进行快速设计并制备出所需的材料。受生物学启发,研究人员开发的叠加式制造(包括广泛的基于光基/墨基的印刷技术,能够实现数字化设计和制造对象的三维(3D)化)正在改变先进材料的进展。与传统模具的制造方法相比,数字化装配可以在计算机的辅助下根据需要迅速地设计出复杂的三维对象。

哈佛大学的Ryan L. Truby和Jennifer A. Lewis对此做了综述并展望其拥有十分广阔的应用前景:将软物质引入光基和墨基3D打印技术,其功能主要在于增强了印刷速度和不同材料的集成能力。数字设计和叠加式制造的技术融合,加速了三维四维印刷技术的发展,而该方法也越来越受到科研界以及世界各地的工业设计师和工程师的关注。然而,目前的3D打印技术仍然存在制备时间长、成本高、可扩展性差等缺点。因此必须开发新型3D打印机,使其能够高速地连续生产。

图6 综述总览图

文献链接:Printing soft matter in three dimensions ( Nature, 2016, DOI:10.10.38/nature21003 )

4、塑料生物电子学的兴起

 

图7 塑料生物电子的多样性

生物电子塑料主要是通过聚合物内部结构的优势,然后结合软体有机电子器件,从而能够应用于生物和电子表面。该电子材料设备柔软、可伸缩且能够机械调整。在生物系统中,可穿戴和可植入是其最重要的特点。目前的研究重点在于改善这些设备,以使电子与生物界面尽可能无缝连接。但当前的许多医疗植入物和设备,如心脏起搏器、心电图传感器和智能内窥镜均依赖于硅微电子技术,其电子模块的大小使其仅能够被用于单点健康监测。

来自日本东京大学的Takao Someya等人对应用于生物领域的软电子材料的最新进展进行了综述并探讨了其未来的发展和挑战。研究人员强调了聚合物电子材料与无机电子材料高效的协同效应。塑料生物电子学的终极目标是人和机器之间的双向无缝连接。塑料与无机材料之间的协同效应以及高性能无机材料混合设备将加速扩大生物电子学的发展。或许某天,仿生界面和与生物电子塑料作为身体的一部分将会成为一种常态。

图8 综述总览图

文献链接:The rise of plastic bioelectronics ( Nature, 2016, DOI:10.1038/nature21004 )

5、仿生聚合物在生物医学上的应用

 

图9 仿生材料在组织粘合剂和涂料上的应用

通过模仿自然,大量的仿生材料不断地冲击着我们的想象力。随着人们对生物学的理解和工程能力的发展,生物材料可以同时具备更加复杂的化学生物特性来实现具体的治疗效果。其中,通过模仿生物界面组织来设计聚合物从而实现治疗具有十分重要的意义。

美国约翰霍普金斯大学医学院的Jordan J. Green 和 Jennifer H. Elisseeff综述了如何将这些仿生聚合物应用于生物的各种组织及界面。高分子材料可以用来模拟局部组织属性、化学成分和力学性能等。研究人员还希望材料具有活跃的生物传感功能,并且能够刺激周围环境。然而,在临床应用中,利用仿生聚合材料治疗异常病变的病人依旧非常复杂且难以控制,这将是未来仿生聚合物发展的一大挑战。

图10 综述总览图

文献链接:Mimicking biological functionality with polymers for biomedical applications ( Nature, 2016, DOI:10.1038/nature21005 )

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