清华张一慧传授/北理方岱宁院士AM：液晶弹性体超质料可促进皮肤再生

液晶弹性体(LCEs)是一类可以或许对热和/或光刺激孕育发生大的、可逆的形状改变的软活性质料。因为其优秀的驱动性能(比方大的可逆应变和快速相应)，液晶弹性体被遍及应用于人造肌肉、软驱动器、和柔性呆板人。而且，因为液晶具有各向异性(沿着液晶分列的偏向)，其已被用来实现庞大模式(比方，弯曲、转动、和扭曲)。固然LCE表现出可以与生物构造相立室的仿生气希望械性能(比方弹性模量和强度)，但因为其较高的驱动温度(通常在60°C以上)和较低的双向驱动性能(通常低于10%的驱动应变)，它在生物集成应用中的作用不是很大，是以很少有开辟出相干的产物。

清华大学的张一慧传授和北京理工大学的方岱宁院士团队开辟了奇特的LCE超质料的机器制导设计和制造方案，可以得到亘古未有的双轴驱动应变(−53%)和双向热膨胀系数(−33125 ppm K⁻¹)，大大凌驾了曩昔报道的(−20%和−5950 ppm K⁻¹)。利用优化身分比的低温合成要领使得LCE超质料可以或许在明显降落的驱动温度(46°C)下得到公道的高驱动应力/应变。这种生物相容的LCE超质料与医用敷料相联合可以开辟出一种可呼吸（透气）、可紧缩、止血的贴片，作为一种非侵入性治疗本领。用圆形和十字形创面举行皮肤修复的活体动物试验评释，止血贴片在加快皮肤再生、幸免瘢痕和瘢痕疙瘩形成方面优于传统要领(医用敷料和缝合)。相干事情以题为“Liquid Crystal Elastomer Metamaterials with Giant Biaxial Thermal Shrinkage for Enhancing Skin Regeneration”的研究性文章在《Advanced Materials》颁发。

双轴负 CTE 的 LCE 超质料的设计理念和制造方案

图1展示了具有庞大双向热紧缩的LCE超质料的设计观点、物理机制和制造方案。本文先容了一种LCE薄膜的超质料设计，其情势为二维周期性的直条晶格图案(图1a)，它可以将全局双轴拉伸变化为全部带状身分的局域单轴拉伸。然后可以使用这种局域化的单轴拉伸来沿每个带状组件的轴向瞄准液晶分子取向，从而在温度激活时可以或许实现庞大的双轴紧缩。图1b给出了另一种制造方案，此中LCE晶格在双向拉伸之前被光聚合，使得液晶分子取向的机器指导分列是临时的，而且不会被影象。图1d-f阐明了组成机器超质料的固态多域LCE薄膜的软弹性和热机器相应。具有牢固外加应变(≥50%)的低温应力质料的单轴热应力与温度类似成线性干系，斜率系数可通过低温应力-应变的预应变和单轴应力-应变曲线举行盘算。

图1. 具有大双向热紧缩的液晶弹性体(LCE)超质料的设计观点和制造要领。

LCE超质料的公道设计以提供可调的双轴驱动性能

图2形貌了怎样调解超质料设计以实现所需的驱动性能。LCE超质料的驱动性能通常随制备历程中利用的双向预应变(ε_x，ε_y)的增添而进步，但过大的预应变会导致多域LCE晶格的断裂。极限预应变对应于多域LCE晶格的双轴可伸长性，它会随着孔隙率的增添而增添 (图2a)。图2b阐明了多域三角形ε晶格的双向延伸性(LCE双向延伸性)和孔隙率(p)与归一化条带宽度(w/l)的干系。思量到以拉伸为主的变形模式，有限元采纳了基于最大主应变的简化强度准则，该准则与试验效果非常符合。图2c表现，因为布局强度的增添，单域液晶超质料的双轴驱动应力随着双轴预应变的增添而增添，斜率随着归一化带宽(w/l)的增添而增大。另一方面，在超质料设计中，用弯曲的微布局取代直带，可以得到更大范畴的双轴驱动应变。图3a展示了激光切割后由马蹄形微布局构成的LCE超质料设计的示例。图3e，f评释，通过马蹄形微布局设计(150°)，双轴驱动应变的巨细可以明显增添(从39%到52%)，而且不会显着捐躯双轴驱动应力(从58kPa到49kPa)。

图2.公道设计LCE超质料以孕育发生可调治的热机器相应。

图3.，用马蹄形丝带制造的LCE超质料，用以增添双向驱动应变。

LCE超质料的低温驱动和生物相容性

图4a-i形貌了固化温度、交联剂(PETMP)和液晶(RM257)的质量比对向列相-各向同性变化温度(T_NI)和单轴驱动应变/应力的巨细的协同效应。现在提出的超质料设计和低温合成要领相联合，可以得到杰出的驱动本领。图4j，k提供了表征驱动本领的两个Ashby曲线图, 包罗这里报道的LCE晶格异质质料，以及具有天然张力的人体皮肤。图4l表现了CTE与密度的Ashby图，该图包罗本文陈诉的LCE晶格，以及其他具有负CTE的机器超质料和工程质料。

图4. 具有生物相容性驱动本领的LCE的低温合成要领。

促进皮肤再生的生物相容性、透气性、紧缩性、止血贴片

具有负CTE的LCE超质料可以开辟一种生物相容性、透气性、可紧缩、止血的贴片，以促进皮肤再生。图5a、b阐明了止血贴片的制作方案和再生气希望制，止血贴片由低驱动温度(T_NI≈46°C)的LCE超质料层和防水敷料层构成，可用于物理和化学处置惩罚相联合的疗法。止血贴片的 LCE 框架在加热时会紧缩，以实现内部晶格的双轴紧缩（图5c）。别的，本文还创建大鼠模子以验证利用开辟的止血贴片加快皮肤再生情形（图 5d，e）。在十字形伤口的情形下，一个对比组只用雷同的敷料，另一个用缝合。通常与未毗连的情形相比，皮肤的机器束缚会导致 LCE 超质料的机器应变减小，而且当皮肤刚度与 LCE 超质料的刚度之比增添时，这种减小会进一步增添。

图5. 与其他愈合要领相比，一种透气、紧缩、止血的贴片用于促进大鼠圆形和十字形伤口的皮肤再生。

图6.术后第14天的苏木精-伊红染色的构造学纵向切片，用于评估皮肤再生的成效。

小结

本文开辟了公道的力学指导的液晶超质料设计和制造方案，以得到亘古未有的双轴驱动本领(双轴应变为−53%，双向热膨胀系数为−33125ppm K⁻¹)，明显凌驾了之前报道的(比方，−20%和−5950 ppm K⁻¹)。本文提出了一种低温合成要领，联合利用优化的PETMP和RM257的质量比，可以或许在与生物应用兼容的较低的驱动温度(46°C)下实现公道的高驱动应变/应力。这些有点许可热门开辟一种生物相容性、透气性、可紧缩、止血的贴片，该贴片由LCE超质料层和医用敷料层构成，以办理基于缝合或敷料质料的传统要领的范围性。在圆形和十字形创面上的活体动物试验评释，这种可紧缩止血贴片在加快皮肤再生、幸免瘢痕和瘢痕疙瘩形成方面优于传统要领。固然现在的事情评释这种非侵入性计谋仅在皮肤再生中有用，但是基于可编程LCE超质料和先辈敷料的焦点理念和技能平台可以很简单地调解和集成到其他构造(如肝脏、心脏等)的再生中。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106175

泉源：高分子科学前沿

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