受海星启发！宁波材料所在水下自愈合聚氨酯方面取得进展

自愈合聚氨酯以动态键作为自愈合驱动力，能够从结构和功能损伤中自我愈合，从而增加使用寿命，提高可靠性和耐用性。但是，水分子会干扰动态键的可逆重排过程，进而降低自愈合速度，难以满足水下机器人、植入式医疗器械等场景的使用需求。在这一需求下，迫切需要开发一种能够室温水下自愈合的聚氨酯。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队长期从事生物基、自愈合聚氨酯的研究。近期，该团队朱锦研究员和陈景研究员联合韩国科学技术院（KAIST）应邬彬副教授在高分子领域期刊Macromolecules上发表题为“Red sea star-inspired, rapid underwater self-healing polyurethane based on dual hydrophobic units and tandem dynamic bonds”的论文（DOI: 10.1021/acs.macromol.4c03007），提出“双重疏水防护结合串联自愈驱动”的分子设计方案，并合成了能够在室温水下自愈合的聚氨酯。

受红海星启发，该团队开发了一种在室温下具有水下自愈合能力的聚氨酯（图1）。以含有烷基侧链的聚酯二醇作为软段，同时在硬段结构引入氟基团，烷基侧链和氟基团分别从软段和硬段结构进行双重疏水防护。当材料在水下受损时，由于存在致密的疏水屏障，该材料可以排斥水分子。同时在分子结构中引入串联型的二硫键和亚胺键作为自愈合驱动力，在不受水分子干扰的情况下通过串联的双重动态键的键交换实现水下自愈合。同时，通过优化疏水单元和动态键单元的比例来制备具有最佳水下自愈合能力的聚氨酯。

在常规水下环境中，自愈合12小时后，划痕完全消失（图2）。激光共聚焦显微镜图像也从三维立体角度证实了DSFPU-3在室温下愈合12小时后，实现完全自愈合，自愈合速率为33.33 μm/h，自愈合效率达98%。同时，DSFPU-3样条在水中自愈后可承受500 g砝码的重量，而不发生断裂。本研究提出了一种合成快速室温水下自愈合聚氨酯的新策略，揭示了“双重疏水防护结合串联自愈驱动”的分子结构设计与水下自愈合性能之间的影响规律，对推动自愈合聚氨酯在潮湿、水下等复杂环境下的应用具有重要意义。

宁波材料所博士后李凤龙为论文第一作者，宁波材料所陈景研究员和韩国科学技术院应邬彬副教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金资助项目（U21B2093、U23A20691）、宁波市科技创新2025重大专项（2022Z139）和韩国国家研究基金会Brain Pool项目（RS-2023-00222619）的支持。

图1 (a) 红海星受损后分泌含氢键与动态二硫键的酶，实现水下自愈合；(b) DSFPU通过氟基团与烷基侧链排除水分子干扰，串联型二硫键与亚胺键驱动实现水下自愈合

图2 (a)DSFPU-3在水下自愈合过程的偏光显微图像；(b) DSFPU-3在水下自愈合过程的三维激光共聚焦图像；(c) DSFPU-3在水下自愈合不同时间的划痕深度变化；(d) DSFPU在水中不同温度下的自愈合速度；(e) DSFPU-3在水下愈合后可提起500g砝码重量