Science：模仿细胞膜，构筑超柔韧膜材料

软体弹性材料在可拉伸电子器件、智能织物、生物医学等领域有着巨大的应用需求。但是，目前具有长寿命、低成本以及具有良好生物相容性的软体弹性材料体系的设计/制备仍是一项挑战性工作。在自然界中，蜘蛛丝作为性能杰出的天然纤维代表，在实际环境中可展现出超高的可拉伸性，有些品种蜘蛛的丝甚至可以拉长百倍而不断裂，实际上这与蛛丝上粘性液滴中以各种形式“预存”的纤维直接相关。此外，动物细胞通过膜折叠和微绒毛结构也具有卓越的柔韧性，例如巨噬细胞能够将其表面积扩大5倍以吞噬大的微生物或细胞残片，这其实也与细胞以膜折叠和微绒毛形式“预存”的膜直接相关。上述自然界中存在的高弹性体系为科学家设计高性能的可拉伸软体材料提供了重要的启发。

近日，法国国家科学研究院（CNRS）的Arnaud Antkowiak等研究者向自然学习，模拟细胞的褶皱和绒毛应变缓冲结构，以聚偏氟乙烯-co-六氟丙烯（PVDF-HFP）为材质，通过在该纳米纤维膜内灌注润湿液体驱动构筑了具有可逆形变的超柔韧材料；并对其内在构造和相应形成机理进行了深入的探索。该研究对液膜中薄膜失稳形变物理特性的深入阐述，为柔性电池、软体机器、组织工程等新兴应用领域中新一代可拉伸材料的制备提供了理论支撑。相关论文发表在Science上。

超柔韧性PVDF-HFP膜的设计示意图。图片来源：Science

研究团队首先采用静电纺丝技术制备了质轻、自支撑的PVDF-HFP无纺布膜。如果不进行进一步的处理，该膜材料最大耐受形变只有30%。为模拟表面张力驱动下皮层肌动蛋白层的拉伸作用，研究人员进一步在纤维膜内灌注润湿液体（硅油），所产生的毛细作用力将其额外的膜组分储存于褶皱和沟纹构成脉络网路中，从而赋予了该PVDF-HFP膜材料超高可拉伸性。

进一步对膜材料内部结构及形成机理进行探究，研究发现脉络结构中包含皱纹形貌和堆叠褶皱结构。其中皱纹形貌其周期只与液膜厚度h 呈现线性相关，研究团队基于理论模型对其形成和调控因素进行了详细研究。但是实验中皱纹周期对压缩应力呈现惰性的行为未能基于该理论模型进行详细阐述。

毛细作用力驱动皱纹和堆叠形成机制探索。图片来源：Science

研究团队进一步将PVDF-HFP膜材料制备成平面状、柱状和球形，研究测试表明不同形态的膜材料在液体毛细力驱动下展现出相似的褶皱行为，但是存在细微的受力行为和形变尺度差异。其中球形膜材料在高达100,000次的10倍体积膨胀/收缩循环测试中展现出良好的稳定性。

不同形貌柔性膜材料构筑及毛细力驱动受力分析。图片来源：Science

微观尺度材料形貌重构是构筑超柔韧性膜材料和避免材料分子尺度出现明显牵伸的关键。该理论研究成果在非平面材料表面化学功能改性以及柔性电子器件的设计等领域具有极大的应用开发潜力，为此，研究者进行了概念验证性的应用实验。

超柔韧性膜材料的应用研究。图片来源：Science

总结

Arnaud Antkowiak等研究者师法自然，在电纺纤维膜中灌注液体，基于仿生细胞膜堆叠和绒毛结构赋予了传统膜材料超高的柔韧性。该理论研究成果有助于人们从微结构形变角度理解软体材料的应力屈曲行为，为超柔韧性软物质材料的设计和构筑提供参考策略。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Capillarity-induced folds fuel extreme shape changes in thin wicked membranes

Science, 2018, 360, 296-299, DOI: 10.1126/science.aaq0677