Materials Today: 网状软材料研究综述

图5：具有可编程多稳态的软质力学超材料

软材料的相关研究在近几十年来发展迅速，它们可以应用于柔性电子器件、组织工程、软体机器人和可展航天器部件等广阔的工程领域中。其中，网状软材料是一类微观结构相对有序的新兴多孔材料，它们最初的产生与发展受到生物软组织中网状微结构的启发。

网状软材料很好地结合了高延展性和高透气性，并且还具有一种特殊的应变限制功能，这些特性在许多生物集成应用中非常关键。更重要的是，周期性网状软材料（图1）通过灵活的结构设计手段实现了一类定制化的超材料体系，即通过合理地调节微结构构型和选择合适的组分材料，可以精确实现所需的力学性能。

图1：典型的周期性网状软材料

近日，清华大学航天航空学院张一慧教授团队在国际材料科学领域知名学术期刊Materials Today上在线发表了题为“Design, Fabrication and Applications of Soft Network Materials”的综述文章，系统回顾了网状软材料领域的最新进展，综述了网状软材料的基本概念、设计理念、制备工艺，以及广阔应用。

该文章指出，根据微结构不同的分布形式，网状软材料可以分为含周期性微结构和含随机性微结构的网状软材料两大类。文章系统总结了周期性和随机性这两大类网状软材料研究中的重要进展，并将含周期性分布微结构的网状软材料分为了仿生网状软材料和软质网状超材料进行了重点阐述。

在此基础上，文章对网状软材料在柔性电子器件和组织工程等领域中的典型应用作了系统介绍，充分体现出网状软材料在提高生物集成器件传感性能和人造器官力学性能上所起到的关键性作用。最后，该文章对网状软材料的现有挑战与未来发展机遇进行了展望。（图2）

图2：网状软材料的设计策略及其在不同领域的应用

1. 仿生网状软材料

生物软组织/器官（如皮肤、血管、蜘蛛丝等）大多是由弯曲缠绕的蛋白纤维组成的，在受到拉伸时，由于这类纤维微结构变形模式的转变，生物软组织往往具有“J形”的应力-应变响应。具体来说，波浪形蛋白纤维在初始受拉阶段主要承受弯曲和扭转变形，因此切线模量很低，而随着加载应变的逐渐增大，纤维的拉伸变形开始占据主导地位，使得其切线模量迅速升高。

近年来，受到这种变形机制的启发，人们结合周期性点阵结构和仿生纤维微结构，提出了一类仿生网状软材料。这类网状软材料可以通过确定性的结构设计，来精确复现不同部位人体皮肤或其它生物器官的非线性力学响应。文章将仿生网状软材料根据点阵拓扑和微结构构型分为了二维仿生材料（图3）和三维仿生材料（参见知社之前报道Nature Comm.: 利用螺旋形微结构设计仿生软质网状材料）分别进行了系统介绍。

图3：典型的二维仿生网状软材料及其力学性能

2. 软质网状超材料

力学超材料表示一类可以通过微观结构设计来提供超越自然界中传统材料的力学性能的人造材料。该文章聚焦于几类典型的软质网状超材料，详细总结了可以实现负泊松比、各向异性溶胀（参见知社之前报道Science Advances：具有非常规溶胀性质的软质力学超材料）、特殊热膨胀（图4）、多稳态（图5）和反常声学特性等非常规力学性能的网状软材料的设计和制备方法。

图4：具有特殊热膨胀行为的网状软材料

3. 随机网状软材料

事实上，真实生物组织中广泛存在的主要是一些随机纤维网络，因而含随机分布微结构的网状软材料也得到研究者的很多关注。这种随机网状软材料虽然很难进行精确的微结构设计，但却具有制备方法较为成熟和多样的优势，如化学气相沉积、溶液法、静电纺丝、喷墨打印等。

文章将随机网状软材料分为薄膜型网状材料（图6）和三维网状材料（图7），对其代表性的制备策略和材料特征进行了系统介绍。

图6：由静电纺丝和喷墨打印方法制备的随机网状薄膜材料

图7：基于不同自组装方法制备的三维随机网状材料

4. 网状软材料的应用

在对各类网状软材料的设计方法和制备策略进行总结的基础上，文章进一步强调了网状软材料在生物医学器件、组织工程和其它领域的典型应用。

1. 生物医学器件（图8）。包括可穿戴和可植入的器件，可以用于健康监测以及疾病的预防和治疗。
2. 组织工程（图9）。包括人造器官/组织，细胞支架，生物界面等。
3. 其他应用包括柔性光电器件、柔性电池、柔性天线等。

图8：网状软材料在健康监测器件中的应用

图9：网状软材料在组织工程中的应用

基于当前网状软材料领域面临的机遇和挑战，文章介绍了该领域未来值得研究的若干方向：

• 对于仿生网状软材料，在实际使用中往往需要承受循环载荷，因此有必要研究其疲劳行为，提高其疲劳门槛值。另外，在一些组织工程应用中需要将网状骨架封装在生物兼容的高弹体内，这种场景下的界面问题非常关键。
• 对于最近提出的三维仿生网状材料，亟需建立可准确预测其非线性、各向异性力学性能的通用力学模型。
• 对于软质网状超材料，发展兼具多种优异力学性能的超材料设计方法是一个值得关注的研究方向。
• 对于随机网状软材料，制备基于导电气凝胶的三维周期性网状材料还存在着很大的研究空间，可以将其应用于柔性电子器件。
• 从应用层面来看，网状软材料在开发具有所需生理功能和仿生力学特性的人造心脏等领域仍具有很大的潜力。

清华大学张一慧教授为本文的通讯作者。清华大学航院博士生刘建星和博士后阎东佳为本文的第一作者，其他作者还包括清华大学博士生庞文博。本项工作受到了国家自然科学基金项目、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。