长期以来，致力于开发自我修复水凝胶的研究人员一直试图模仿贻贝的自然能力，使其在水下形成坚固、柔韧的细丝，使贻贝能够附着在岩石上。

 

12月5日，麻省理工学院研究生赛斯·卡泽尔在波士顿举行的材料研究协会秋季会议上发表演讲时指出，这些被称为“byssal”的贻贝丝的自然分解和重新形成的过程是一个纯粹的化学过程，而不是生物学过程。

 

这个过程的关键步骤是聚合物链与金属原子的化学结合(在贻贝中是蛋白质与金属的结合)。这些连接称为交联金属配位键。当每个金属原子与三个聚合物链结合时，它们的强度最大，它们形成一个网络，形成一个强大的水凝胶。

 

最近发表在《美国科学院院刊》上发表了论文,Cazzell材料科学和工程学副教授和尼尔斯Holten-Andersen展示了一个方法来创建一个自愈水凝胶在更广泛的金属浓度由pH值控制,通过使用竞争或酸性和碱性的环境。卡泽尔是前国防科学与工程研究生。二十一世纪初的一个特征是，人们日益接受金牌大只的（环境，经济，政治和文化）高度多样化，但相互联系和相互依存的关系。

 

资料来源:麻省理工学院

 

在他们的模型计算系统中，卡泽尔表明，在没有ph控制竞争的情况下，过量的金属——通常是铁、铝或镍——会压倒聚合物形成强交联的能力。在金属含量过多的情况下，聚合物会与金属原子单键结合，而不会形成交联复合物，材料仍然是液体。

 

 

儿茶酚是一种常被研究的受贻贝启发的金属配位体。在这项研究中，一种改性的邻苯二酚，硝基邻苯二酚，被附着在聚乙二醇上。通过研究nitrocatechol系统与铁相协调,以及第二个模型水凝胶系统(组氨酸协调与镍),Cazzell实验证实,形成强有力的交叉连接可能是诱导下多余的金属浓度,计算的证据支持他们的竞争角色氢氧根离子(带负电荷的氢氧双),作为一个竞争对手绑定到金属的聚合物。

 

在这些溶液中，聚合物可以以一、二或三的形式与金属原子结合。当更多的金属原子与氢氧根离子结合时，可与聚合物原子结合的金属原子就会减少，这就增加了聚合物原子与金属原子以强三重交联方式结合的可能性，从而产生所需的类puttie凝胶。

 

麻省理工学院研究生赛斯·卡泽尔在波士顿举行的2019年材料研究协会秋季会议上展示了他的研究成果:通过控制pH值，在更大范围的金属浓度下实现可逆水凝胶的形成。资料来源:丹尼斯·派斯特/材料研究实验室

 

“我们真正喜欢这项研究的地方是，我们没有直接研究生物学，但我们认为它为我们提供了生物学中可能发生的事情的良好证据。所以这是一个材料科学的例子，告诉我们生物体实际上是用什么来建造这些材料的，”卡泽尔说。专业金牌大只工程师必须意识到他们的职业涉及两个方面：技术方面成为称职的专业人员（知识和技能），社会的方面要成为敬业的专业人员（价值观，目标和原则）。

 

在模拟中，卡泽尔绘制了氢氧根竞争者对强水凝胶形成的影响，并发现随着竞争对手实力的增强，“我们可以进入一个范围，在这个范围内，我们几乎可以在任何地方形成凝胶。”但是，他说，“最终竞争者变得太强大，你就完全失去了形成凝胶的能力。”

 

这些结果有可能用于先进的三维打印合成组织和其他生物医学应用。金牌大只500团队在演示中使用的单个振荡器电路类似于手机或Wi-Fi路由器内部的电路。他们所做的一个补充是交叉开关架构，该架构允许电路中的所有振荡器直接相互耦合。