仿生智能材料研究進展

程希文

（西北農林科技大學，陜西 楊陵 712100）

1.引言

仿生智能材料所具有的生物相容性、環境協調性貫穿了該材料從材料的獲取、加工投產，再到使用與回收廢棄的整個生命周期，是一種重要的環境材料。目前人們大多研究的是其在使用過程中所帶來的多功能性與環境友好性。作為生物材料領域最備受關注的研究熱點之一，仿生智能材料在智能高分子凝膠、智能藥物釋放體系和仿生薄膜材料上都有了新的進展。

2.智能高分子凝膠材料

高分子凝膠能夠在極短的時間內吸水，并且具有強大的保水能力，是一種低交聯度材料。智能高分子凝膠突出了其智能性，在受到環境刺激時，材料的結構、物理性質和化學性質會隨之變化，具有極高的使用效率，是一種重要的環境材料。

2.1 形狀記憶和自修復水凝膠

大多數的生物體在遇到傷害時都會體現其自我修復的能力。陳濤等研究人員提出在超分子的形狀記憶水凝膠里引入雙網絡的概念，從而賦予它們卓越的機械性能[1]。而這樣的性能是其作為環境材料的重要特征之一。該類水凝膠不僅可以作為新型材料應用于各種生物醫學與光學領域，而且其作為環境材料所具有的高使用效率的特征可以為環境領域的新型材料研發提供思路。

2.2 水凝膠皮膚與智能傷口敷料應用

應用于臨床中與人體密切接觸的材料、器物必須要有極高的生物相容性，否則極易發生嚴重的生物體排斥反應。Xuanhe Zhao等人提出將親水的聚合物插入各種聚合物的表面，從而自然形成“水凝膠皮膚”。這種人工制造的皮膚具有生物組織一樣的柔軟性，且具有卓越的機械魯棒性、低摩擦性、防污性能和離子電導性[2]。

而新穎的智能傷口敷料則是Xuanhe Zhao等人通過將可拉伸導體、功能芯片、藥物輸送通道和儲層集成到可拉伸、堅固且生物相容的水凝膠基質中而設計[3]。該設計能夠感受人體皮膚上不同位置的溫度，從而向不同位置的皮膚釋放藥物，并且保持藥物的持續釋放。該類材料在使用的過程中無毒無害，能夠有效減少污染，無論是對生態環境還是對于人體健康都有極大的益處。

2.3 智能水凝膠化學閥

李嘉珣等研究人員通過模擬高分子凝膠在溫度——電場耦合中變化的規律，證明了這種仿生智能材料在變化過程中其形態功能完全可逆，并且可以被精確控制，從而成為化學閥，實現對微流體的控制[4]。

2.4 人工肌肉

早些年Bassil, M等人對水凝膠的特性進行綜合研究，探明了電場引起的水凝膠的彎曲機理，并解釋了驅動過程中pH對水凝膠基質作用的原理[5]。隨后，Bian W等研究人員就水凝膠可精確、大量地復制制造仿生三維肌肉組織提出了具體的方法[6]。這種可以植入人體、應用于再生醫學的人工肌肉極好地體現了仿生智能材料作為一種環境材料的生物相容性，并在其使用的過程中體現了環境友好的理念。

2.5 凝膠降溫應用

在建筑類材料上，瑞士WendelinStark團隊仿照恒溫動物的溫度調節系統，研制了一種新型溫度敏感型水凝膠，并將其應用于房屋的頂部[7]。通過蒸發凝膠內部水分，使屋頂的溫度穩定在35℃。新型水凝膠可以使房屋中空調降溫等設施的能耗與溫室氣體排放量顯著降低60%。在該材料的生命周期中，能夠以最低的環境負荷發揮最大的使用功能，給人類帶來很強的舒適性，彰顯著這種仿生智能材料極強的使用性能與環境性能。

3.智能藥物釋放體系

智能藥物釋放體系是仿生智能材料研究的熱點之一。該體系的特點是能在特定時間釋放特定劑量的藥物，且具有反饋機制[8]。在感受到外界環境的疾病刺激時，智能材料發生膨脹，藥物從膨脹后的孔隙中滲出。疾病信息的消失通過自動反饋系統傳遞給控制系統，智能材料就會收縮緊緊包裹藥物，達到定量釋放的目的。其環境友好性主要體現在控制藥物釋放，盡可能減少多余的藥物的殘留對于環境造成的危害。

3.1 pH響應型

在pH響應的機制中，廣泛應用的有生產業農藥釋放。例如陳龍等研究人員研制的葉面緩釋微膠囊[9]。該膠囊在特定pH爆釋，增加了藥物釋放時刻的可操控性，實現了智能化。值得一提的是，藥物智能化釋放所節省的不必要損耗增加了該體系的經濟性能，并且減少多余藥物釋放到環境所帶來的環境性能也值得關注。

另外，應用于人體健康的藥物釋放，例如口服類藥物等需經消化道的藥物被凝膠材料包裹后，在消化道從酸性到弱堿性的過程中可以達到定點釋放的目的。但是由于個體差異給pH響應體系的生理觸發功能帶來阻礙，因此在實現臨床精準用藥上需求仍十分迫切。

3.2 磁響應型

Tiffany等研究人員對磁鐵礦-納米顆粒和磁鐵礦-對乙酰氨基酚的兩種構型的玉米蛋白膜進行擴散實驗[10]，提出磁石納米粒子在外界磁場的變化下可以打開或關閉擴散通路，因此可以通過調整磁場來控制藥物釋放。該類非接觸式的響應過程運用遠程激活系統，研究了使用磁響應受控釋放作為一種替代非入侵性的方法，具有極強的生物相容性。

該體系在應用過程中，不僅可以節省藥物資源，還可以防止藥物無差別釋放對人體不同部位造成傷害。值得一提的是，其生物相容性給人體帶來的益處也是不可估量的。

4.仿生薄膜材料

仿生薄膜材料也是一種重要的環境材料，其模擬自然界生物膜系統的選擇滲透性功能，從而實現信息流的傳遞或物質分離等一系列的智能化操作過程。

4.1 人工視網膜

結合仿生智能的理念，范智勇等人在半球形多孔氧化鋁膜內形成高密度的佩羅夫斯基特納米線陣列制成了人造的視網膜，并且成功研發世界首個3D人工眼球[11]。雖然目前距離應用到臨床中還需大量的時間與試驗來進行驗證，但是仍給予了眼盲者們極大的希望。

該類應用于人體的仿生薄膜材料具有極強的生物相容性，相較于傳統材料，給環境帶來的負荷也相對較少，是一種新型環境材料。

4.2 仿生智能傳感器

杜學敏等人利用仿生學的理念結合溶劑分子在聚合物智能薄膜中的差異性溶脹研發了丙酮刺激型的薄膜[12]。目前實現永動裝置仍然存在巨大的阻礙，例如運用濕度響應驅動的裝置在過飽和后便不可逆，而這種丙酮蒸汽薄膜傳感器在實際的運用中因其智能性，可以執行大規模的變形而永不疲勞。并且由于其可應用于化工企業丙酮濃度監測或結合能量采集成為原始驅動力，因此也呈現出了多樣性的特征。

循環再利用是該類材料的核心思想，它極大地減少了在環境監測過程中對于消耗性物品的使用，所帶來的技術革新降低了儀器更新換代的頻率。由于其還可以能量采集的原始驅動力，極大地拓寬了人們的視野，給環境材料的研究提供了新的思路。由此可見，這類新型材料具有極強的環境性能，使用性能與經濟性能，是一種重要的環境材料。

5.前景

自然界中的生物千變萬化，其中蘊含的規律值得我們持續探尋。仿生智能材料作為一種新型環境材料，不僅能夠感知、響應與反饋周圍環境帶來的刺激并且兼具環境材料的優良特性，而且具有強大的環境協調性。因此，仿生智能材料必然成為環境領域前進的方向，引領時代科技發展的潮流！