革命性水凝膠：人工皮膚的未來曙光

科學家們近期研發出一種獨特的水凝膠，這種材料不僅堅韌，還具備自我修復能力，這一切都要歸功於奈米片增強的高分子纏結技術。這種材料能在數小時內自行修復，並有望在人工皮膚、機器人技術及醫療應用領域掀起一場革命。

水凝膠在日常生活中隨處可見，從美髮產品到食品中的果凍質地，都能看到它的身影。雖然人類皮膚也具備某些凝膠般的特性，但要完全複製卻極為困難。皮膚既堅硬又柔軟，且擁有驚人的自我修復能力——通常在受傷後24小時內便能完全癒合。然而，過去的人工凝膠只能模仿皮膚的硬度或自我修復能力，無法同時兼具兩者。

來自阿爾託大學和拜羅伊特大學的研究團隊，成功突破了這一限制。他們開發出一種具有獨特結構的水凝膠，結合了強度與自我修復能力，為藥物傳遞、傷口癒合、軟性機器人及人工皮膚等領域的進步鋪平了道路。

在這項突破性研究中，研究人員透過新增超薄、大面積的黏土奈米片來增強水凝膠。通常水凝膠質地柔軟且易變形，但這種新材料在奈米片之間形成了高度有序的結構，並伴隨著密集的高分子纏結。這不僅增強了水凝膠的強度，還使其在受損後能夠自我修復。

這項研究於3月7日發表在頂尖期刊《自然材料》上。研究人員陳亮博士解釋道，這種材料的秘密不僅在於奈米片的有序排列，還在於其間纏結的高分子——而製程則簡單得像是烘焙。他將單體粉末與含有奈米片的水混合，然後將混合物置於紫外線燈下，類似於美甲凝膠的固化過程。紫外線使分子結合，形成彈性固體——即凝膠。

阿爾託大學的張航博士補充道，纏結意味著薄薄的高分子層開始像細小的毛線一樣相互纏繞，但順序是隨機的。當高分子完全纏結時，它們彼此難以區分。在分子層面上，它們非常動態且靈活，當被切斷時，它們會重新纏繞在一起。

研究顯示，這種水凝膠在被刀切開後，僅需四小時便能自我修復80%至90%，24小時後通常能完全癒合。此外，一毫米厚的水凝膠含有10,000層奈米片，這使得材料的硬度與人類皮膚相當，並具備相似的拉伸性和柔韌性。

張航博士表示，兼具堅硬、強韌與自我修復能力的水凝膠一直是材料科學的一大挑戰。我們發現了一種強化傳統軟性水凝膠的機制，這可能徹底改變具有生物啟發特性的新材料的開發。阿爾託大學的奧利·伊卡拉教授也指出，這項工作是生物材料如何啟發我們尋找合成材料新特性組合的絕佳範例。想像一下，擁有堅固且自我修復皮膚的機器人，或是能夠自主修復的合成組織。

儘管距離實際應用可能還有一些距離，但目前的成果代表了一個關鍵的飛躍。這是一種可能重新定義材料設計規則的基礎性發現。

參考文獻：'Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement'，2025年3月7日，《自然材料》，DOI: 10.1038/s41563-025-02146-5。該合作研究由張航博士、奧利·伊卡拉教授和約瑟夫·布洛伊教授領導，合成黏土奈米片由德國拜羅伊特大學的約瑟夫·布洛伊教授設計與製造。