哈佛团队开发出用于智能3D打印织物的形状记忆材料

aau讯（编辑 卢晶）据外媒报道，美国哈佛大学工程与应用科学John A. Paulson学院（SEAS）的研究人员从角蛋白中创建了一种新的材料，可以将其3D打印成复杂的形状，并通过可逆的形状记忆进行预编程。这项新开发的产品在生物工 程和智能纺织品中具有潜在的应用前景，非常适合对具有拉伸强度和复杂几何变换的强硬水触发形状记忆设备进行工程设计。

据了解，这项新的研究是SEAS研究人员的最新研究成果，并提出了一种生物启发性的设计，用于制造由废角蛋白制成的可3D打印的生物相容性和层次结构的形状记忆材料。该报告发表在《自然材料》杂志上，这是一种受生物启发和层次 结构的形状记忆材料，并证实了3D打印物体恢复其原始形状的能力。

此外，新材料通过增材制造平台的可加工性允许生产具有微米级结构特征的复杂结构，这使得该材料适用于广泛的生物工程应用。

"通过该项目，证明了我们不仅可以回收羊毛，而且可以用从未想象过的回收羊毛来制造东西，”SEAS和生物技术应用专业课程的Tarr家庭教授Kevin Kit Parker说。“对于自然资源可持续性的影响是显而易见的。使用回收的角蛋白， 我们所能完成的工作与迄今为止剪羊毛所完成的工作相同或更多，并减少了纺织和时装业对环境的影响。"

据悉，角蛋白是一种在自然界中广泛分布的通用生物活性聚合物，事实证明，它对许多高级应用（从农业到生物医学工程）具有很大的吸引力。它是高级脊椎动物（如哺乳动物、鸟类和爬行动物）的头发、指甲、羽毛、羊毛、蹄、鳞片 和角中发现的表皮的主要成分。它也是人上皮组织的主要成分。

SEAS的博士后研究员、论文的第一作者Luca Cera说，“角蛋白固有的变形能力的关键在于其层次结构。在这项研究中，角蛋白的单链排列成称为α-螺旋的弹簧状结构。两条单链扭曲在一起，形成一种称为螺旋线圈的结构。这些盘绕的 线圈中的许多被组装成原丝，并最终组装成大纤维。”此外，Cera建议，α螺旋的组织和连接化学性可赋予材料强度和形状记忆。

根据SEAS的说法，当纤维被拉伸或暴露于特定刺激时，弹簧状结构会解开，并且链会重新排列以形成稳定的β折叠。光纤保持在该位置，直到被触发卷成其原始形状。为了证明这一过程，研究人员使用角蛋白作为墨水，将其制成各种形状的3D打印纸，并使用过氧化氢和磷酸一钠溶液对材料的永久形状进行编程（当触发时，该形状将始终返回原始形状）。设置好内存后，可以对纸张进行重新编程并成型为新形状。

使用提取的角蛋白作为墨水的3D打印过程，以创建角蛋白结构，例如扁平星形、环形和扁平条形。（图片由哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院提供）

3D打印对象具有对湿度敏感的形状记忆特性。作为研究的一部分，并且为了说明形状记忆机制在进行相当复杂的几何转换中的效率，研究人员将一张角蛋白片折叠成一个复杂的折纸恒星，作为其永久形状。研究表明，水合后的3D打印折 纸模型具有延展性，可以展开并任意重塑为卷管。干燥后，方片失去了延展性，并被锁定为新的临时形状。为了逆转这一过程，研究人员只需将结构放回水中即可恢复原始的折纸形状。

在这项研究中，研究人员首先从剩下的用于纺织制造的安哥拉羊毛中提取了角蛋白。然后他们使用Cellink的BIO X平台打印材料。为了帮助可视化打印过程中的对象结构，研究人员向角蛋白涂料中添加了Rhodamin B（一种化学化合物和 荧光染料），将其作为品红色的示踪剂。3D打印后，通过手动折叠3D打印的正方形纸张并将其新配置永久固定在基于过氧化氢的溶液中，制作出星形折纸模型。通过简单的制造过程，研究人员可以定制3D打印的基本几何形状，以实现具有更高复杂度的永久性体系结构。

后3D打印过程可将基本3D打印结构的形状从平面正方形裁剪为星形折纸模型。（图片由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院提供）

基于这项新研究，科学家们能够确定，高机械性能和形状记忆效应的独特结合使这种工程材料适合设计可用于智能纺织行业的执行器。可以利用该材料的生物相容性和身体亲和力来替代用于工程应变敏感和适应身体服装的油基聚合物。

在过去的几年中，几家公司试图通过创建智能服装来将其引入服装纺织品中，这是未来新的潜在商业模式的一部分。例如，安德玛（Under Armour）开发了一系列吸收人体热量并将其作为远红外光反射回穿着者皮肤的衣服，据说这是安 全能量，可以促进更好的肌肉恢复和增强放松；而佐治亚理工学院的研究人员创建了能量收集纱线，这些纱线可以织成可洗的纺织品。

Parker说："无论您是使用这种纤维来制作胸罩，每天都可以定制其罩杯的大小和形状，还是尝试制造用于医学治疗的致动性纺织品，Luca工作的可能性都是广泛而令人兴奋的，我们正在继续通过使用生物分子作为工程基质来重新构想纺织品，就像以前从未使用过的一样。"

3D架构中的水触发形状记忆效果，以星形折纸模型进行说明。（图片由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院提供）

这项研究还可能有助于解决减少时装浪费，时尚产业是全球最大的污染行业之一，时装业已经有Stella McCarthy和时尚巨头Zara这样的品牌，他们都在重新构想该行业如何使用包括羊毛在内的材料来致力于服装业的可持续的发展。例如，角蛋白废物被认为是环境污染物，通常的操作模式是将其从家禽农场、屠宰场和皮革工业中收集后再进行倾倒、掩埋或焚烧，这就是为什么使用角蛋白废物的新材料可以提供可持续的解决方案以防止地球遭受严重物理破坏和生物污染 。

在过去的五年中，3D打印行业新材料在持续增加，尤其是土木工程、航空航天、可穿戴技术和医疗设备领域对形状记忆设备的需求激增的情况下。报告的作者表示，这种特殊的新材料的生物相容性和可加工性显示了其在3D打印领域具有 潜在的应用前景，同时该材料也是生产具有微米结构特征的复杂结构的理想选择，这些结构在生物工程设备中可以很好地工作。

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