把Nature發遍,從尿不溼到人造皮膚,這位科學家把水凝膠做到極致

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今天，咱們介紹的是來自麻省理工學院的趙選賀教授。

趙選賀，美國麻省理工學院機械工程系教授。博士畢業於哈佛大學，師從國際著名力學家鎖志剛教授。目前該課題組的研究目標是：了解和設計具有空前性能的軟材料和探索新型軟材料的非凡功能。

近年來，趙選賀團隊在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等學術雜誌上發表論文130餘篇。

下面一起來看看趙選賀教授的部分代表作。

首先，第一篇是2012年發表在Nature上的論文。通訊作者為鎖志剛院士，趙選賀為共同作者，可謂初試牛刀。題為：Highly stretchable and tough hydrogels（高度可拉伸且堅韌的水凝膠）

他們報告了一種由形成離子和共價交聯的雙網絡聚合物合成水凝膠。儘管這類凝膠含有約90％的水，但它們的拉伸強度可以超過其初始長度的20倍，這些材料的斷裂能非常高：即使含有通常會引發水凝膠裂紋形成的缺陷，它們的拉伸強度也可以超過自身長度的17倍。

凝膠的韌性歸因於兩種機理的協同作用：通過共價交聯網絡形成的裂縫橋接，以及通過解離離子交聯網絡而產生的滯後現象。這些凝膠可作為模型系統，探索變形和能量耗散的機理，並擴大水凝膠的應用範圍。

Sun, JY., et al. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature 489, 133–136 (2012).

第二篇是發表在Nature Materials上的研究論文，對大面積石墨烯起皺和展開的多功能性和控制。

趙選賀課題組展示了一種簡單的方法來可逆地起皺和展開大面積石墨烯，這使得能夠以受控方式獲得一系列前所未有的石墨烯形態和性能。這同樣也使得許多未來的研究方向成為可能。此外，通過使用一種簡單的宏觀工具控制石墨烯的微觀圖案，人們可以開發出具有新穎的可調性和靈活性的新的基於石墨烯的系統，從而使納米尺度的機制在宏觀上可見。

Zang, J., et al. Multifunctionality and control of the crumpling and unfolding of large-area graphene. Nature Mater 12, 321–325 (2013).

第三篇還是發表在Nature Materials上，講的是：水凝膠與各種無孔表面的牢固粘合

在許多動物中，肌腱和軟骨與骨骼的結合非常堅固，但是在合成水凝膠和工程固體的無孔表面之間尚未實現這種堅硬的界面。因此，趙選賀課題組報告了一種策略，可將含有90％水的合成水凝膠設計成堅韌的透明和導電鍵，使其粘結到各種固體的無孔表面上，包括玻璃，矽，陶瓷，鈦和鋁。

設計策略是將堅韌水凝膠的長鏈聚合物網絡共價錨定在無孔固體表面上，這可以通過使這些表面矽烷化來實現。與物理相互作用相比，化學錨固作用具有更高的內在粘附力，並且在分離過程中會大量散發水凝膠的能量，導致界面韌性值超過1,000 J m-2。

Yuk, H., et al. Tough bonding of hydrogels to diverse non-porous surfaces. Nature Mater 15, 190–196 (2016).

第四篇是該課題組發表在Nature上的研究成果，用於3D列印無約束快速變形軟材料的鐵磁疇。

他們報告了在軟材料中編程的鐵磁域的3D列印，該3D列印可通過磁驅動實現複雜3D形狀之間的快速轉換。該方法基於包含鐵磁微粒的彈性體複合材料的直接墨水書寫。通過在列印時在分配噴嘴上施加磁場，可以沿著施加的電場重新定向粒子，從而將圖案化的磁極性賦予列印的長絲。這種方法能夠在複雜的3D列印的軟材料中編程鐵磁域，從而實現一組以前無法訪問的轉換模式，例如具有負泊松比的機械超材料的遠程控制的行進行為。

Kim, Y., et al. Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials. Nature 558, 274–279 (2018).

第五篇代表作是發表在Nature Communications上的研究成果，主要講述的是一種簡單高效製備導電聚合物水凝膠的方法。

趙選賀課題組表明通過簡單的方法設計PEDOT：PSS納米原纖維的互連網絡可以產生高性能的純PEDOT：PSS水凝膠。該方法包括將揮發性溶劑二甲基亞碸（DMSO）混合到PEDOT：PSS水溶液中，然後進行受控的幹退火和再水化，使其產生分布均勻的納米纖維網際網路結構。

Lu, B., et al. Pure PEDOT:PSS hydrogels. Nat Commun 10, 1043 (2019).

第六篇代表作是發表在Science Advances上的研究成果，介紹了抗疲勞斷裂水凝膠的設計原理和應用。

受抗疲勞生物組織的啟發，該課題組假設合成水凝膠中結晶度的增加可以顯著提高它們的疲勞閾值，因為需要破壞結晶域以進行疲勞裂紋擴展。

增強合成水凝膠抗疲勞斷裂性能的能力使許多未來的研究方向和應用成為可能。例如，抗疲勞斷裂水凝膠可用於基於水凝膠的胃固位裝置和半月板、椎間盤和軟骨的可植入組織替代物，這些替代物在與人體相互作用時需要長期的機械強度。

Shaoting Lin, et al., Anti-fatigue-fracture hydrogels. Science Advances 2020.DOI: 10.1126/sciadv.aau8528

下面，來到第7篇，這是上一年發表在Nature上的論文，趙選賀課題組首創人體雙面膠，5秒粘合傷口。

麻省理工學院趙選賀研究小組，開發出一種替代的組織粘合劑，其形式為乾式雙面膠帶（DST），由生物聚合物（明膠或殼聚糖）和接枝有N-氫琥珀醯亞胺酯的交聯聚丙烯酸組成。這種DST的粘附機製取決於從組織表面去除界面水，從而導致與表面的快速臨時交聯。隨後與組織表面上的胺基進行共價交聯進一步改善了DST的粘附穩定性和強度。體外小鼠、體內大鼠和體外豬模型表明，DST可以在五秒鐘內在各種溼動態組織和工程固體之間實現強力粘附。DST可用作組織粘合劑和密封劑，以及將可穿戴和可植入設備粘附到溼組織上。

Hyunwoo Yuk, et al.Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices. Nature, 2019.

再來到今年（2020），該課題組繼續在Nature Materials上發表了關於石墨烯複合水凝膠導電生物膠帶，用於生物組織上。

麻省理工學院趙選賀、南方科技大學郭傳飛等人報告了一種電生物粘附（e-bioadhesive）界面，以實現生物電子設備與各種溼動態組織之間的快速、堅固、共形和導電整合。如果電子生物粘附界面位於生物電子設備的電極上，則可以使其具有導電性，從而可以對下層組織進行電記錄和刺激。此外，可以通過應用觸發溶液從目標組織中良性地撕下電子生物粘附界面，從而允許按需和無創傷地收回植入的生物電子設備。

Deng, J., et al. Electrical bioadhesive interface for bioelectronics. Nat. Mater. (2020).

其他兩篇代表作也是這兩年的NS子刊，就不在此多述了。附上截圖：

個人簡介：

趙選賀，美國麻省理工學院機械工程系教授。2003 年畢業於天津大學，2009 年博士畢業於哈佛大學機械工程系，師從國際著名力學家鎖志剛教授。課題組致力於人與機器之間的界面上發展科學技術，以應對健康和可持續性方面的巨大社會挑戰。當前研究的重點是軟材料和系統的研究與開發，包括聚合物，水凝膠，生物粘合劑，生物電子學和醫療機器人。

近年來，趙選賀團隊在Nature, Science, Nature Materials, Science Advances, Science Robotics, Advanced Materials, PNAS, Nature Communications, Physical Review Letters等學術雜誌上發表論文130餘篇。他還是美國國家科學基金會事業獎的獲獎者，曾獲海軍研究辦公室青年科學家項目獎，及AVS生物材料部的青年研究者獎。#木木西裡#

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內容來源：奇物論

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