一类可达四重形状记忆响应的天然智能纤维材料

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形状记忆高分子是一类遇到外部刺激能够从临时形状恢复至初始形状的智能材料。目前该类材料多数为人工合成型。掺杂天然蛋白成分的共聚物及纯天然蛋白材料型（鸟类羽毛）最近被报道有明显刺激响应特征。而自然界广泛存在的型角蛋白纤维材料在多重形状记忆特性及机理研究方面却很少有报道，这也引起了智能材料研究者的极大兴趣。 几千年来，动物毛发仅被人类用作保暖并时尚的纺织纤维材料，并未注意其特有的功能特性。 直到最近，香港理工大学胡金莲教授课题组发现，动物毛发极有可能对多种外界因素实现形状记忆响应。他们比较了三类毛发，发现驼毛的针毛由于其特有的结构和组成成分，可以对水和氧化还原试剂有明显的形状记忆特性，形状回复率高达80%。而对热和紫外线有一定程度的记忆效果，记忆能力略低于水和氧化还原试剂。外界刺激的四重响应形状记忆效果如图去1所示。

图1 驼毛对四重外界刺激的形状记忆效果

研究人员通过实验发现，动物毛发有三类结构成分决定了它们对外界的多重记忆效果，即毛发内部的结晶、二硫键和氢键。对于探索的四类外界刺激，发现结晶结构始终稳定。而对于水和热响应，氢键是可逆变化的；对于紫外线，只有二硫键发生了可逆变化；而对于氧化还原试剂，则二硫键和氢键都发生了可逆反应。因此，他们提出了一套理想化模型，即双节点-双开关模型，如图2所示，将动物毛发的四重记忆效果抽象出来，基于毛发结构以期能够仿生出更为适应环境的智能人造纤维材料，为丰富单一合成纤维不同形状记忆能力和仿生开发更智能的合成纤维提供了借鉴和指导意义。这一研究对于开发医用智能材料和器械指明了方向，例如，利用多重形状记忆能力的纤维制备的矫形器械通过不同刺激矫形来缓解矫形过程中给患者带来的痛苦，目前中科院和深圳某些医疗科技等单位和公司已对此项研究的应用扩展表达了浓厚的兴趣。

图2 动物毛发的四重形状记忆模型图

参考文献：X Xiao et al, Polym. Chem., 2016, DOI: 10.1039/C6PY01283C

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