在生物學領域，干細胞因其能在特定條件下分化為多種功能細胞而備受矚目。受此啟發，科學家們長期致力于通過創造一種多能或“干”聚合物，這種聚合物能夠通過外部刺激分化成一系列具有不同特性的不同材料。雖然化學改性一直是改變聚合物性質的主要工具，但是需要額外的材料介入，對資源稀缺地區造成了負擔。而在大多數環境中最容易獲得的刺激是熱。例如，冶金學家通過回火、淬煉等的工藝將鋼的機械性能進行有效改性，使其能夠滿足從刀具到橋梁等不同需求范圍。受此啟發，如果將具有室溫動態thia-Michael鍵的聚合物網絡進行加熱控制和冷卻循環回火，或許可以獲得具有強大機械性能的聚合物薄膜。

近期來自芝加哥大學的Stuart J. Rowan團隊將一種單一的聚合物網絡進行回火等系列熱調節動作，成功開發出來具有不同力學特性的聚合物材料。其功能類似于干細胞概念，能夠從單一的聚合物材料通過簡單的溫度條件分化為具有多種機械性能的多能聚合物材料，例如從硬、脆、軟到柔性等性能。這種方法是通過包含thia-Michael鍵實現的，與聚合物中的共價鍵相比，thia-Michael鍵相對較弱，并能在較低溫度下重新排列。在較高的回火溫度下，thia-Michael網絡的交聯密度會降低，導致材料的剛度降低，而在較低的溫度下回火則會產生更硬的材料。這種材料之所以具有形狀記憶特性，是因為結合交聯和非結合交聯的變化導致了動態反應引起的相分離。該研究近期發表在Science上，引起了不小的轟動。

這項工作的創新之處在于描述了一種設計動態共價聚合物網絡材料的策略，該材料利用動態網絡和相分離之間的協同關系，只需簡單地改變回火溫度，材料即可實現多樣的材料性能。材料同時具有形狀記憶特性，通過對材料形狀因子和編程的仔細控制可以控制材料響應。材料不僅可以通過控制回火而獲得需要的被動性能，而且還可以合理設計以創造適應性強的多功能材料。

圖1 多能聚合物的設計過程

圖2  N_xY材料的回火工藝

圖3  N_xY材料的可再加工性

圖4  N₆₃Y材料的強適應性和適中的回火溫度

研究者結合可重構鍵的存在、動態鍵在回火窗口內的熱敏性，以及室溫下回火性能的穩定性，采用thia-Michael網絡作為探索合成材料回火的原型系統。考慮到N₆₃的室溫操作窗口和較大的G′（溫度相關存儲模量）變化，作者選擇N₆₃來進一步研究NxY薄膜回火的潛在機制。實驗證明了在特定操作溫度下(本研究為室溫)回火機械性能的能力，即在不進行何化學修飾的情況下輕松地在這些性能之間切換，并將回火性能保留一個多月。

該研究進一步展示了如何將生物學中干細胞的功能在材料中找到對應性能，為制造干細胞型材料提供了新思路，未來需要進一步研究這種干細胞材料的適應性，進一步提升干細胞材料在分化后的機械性能。此外，研究其他外部刺激對干細胞材料的分化影響也是一種有潛力的研究方向。

參考論文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5009