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本研究开发了一种可持续的脂肪族聚碳酸酯弹性体，通过氢键和π-π堆积构建可逆物理交联网络，赋予其优异机械性能、自愈能力（90.6%修复效率）和形状记忆特性。引入普鲁士蓝颗粒后，材料在近红外光照射下实现快速自愈（7分钟内）和形状恢复，同时保持良好生物相容性（细胞存活率>85%）和降解性（30天降解率约30%）。该成果为绿色智能柔性可穿戴材料设计提供了新策略。
韩思雨|郑雅轩|尚永新|胡建社|孙思雨|陈静|杨立群
中国沈阳东北大学理学院分子科学与工程中心，邮编110819
摘要
为了解决传统石油基弹性体的局限性，如降解性差和不可再生性问题，本研究开发了一种可持续的脂肪族聚碳酸酯弹性体。通过氢键和π–π堆叠作用构建了一个可逆的物理交联网络，赋予该材料良好的机械性能、自修复能力和形状记忆行为。在此基础上，进一步引入普鲁士蓝颗粒（PBPs）原位制备了多功能复合弹性体，为聚合物网络提供了额外的功能组分。得益于动态网络和光热响应的协同效应，该弹性体在808纳米激光照射下7分钟内实现了90.6%的自修复效率，并能够快速恢复形状。同时，该材料表现出良好的细胞相容性，细胞存活率保持在85%以上。此外，该弹性体在含有脂肪酶的介质中30天后降解了约30%，在乙醇-NaOH体系中3小时内发生了显著降解。这项工作为绿色、高性能和可降解的智能柔性可穿戴材料提供了新的设计概念和策略。
引言
随着对环境保护和可持续发展的关注不断增加，传统石油基聚合物的广泛使用引发了诸多资源和环境问题[1,2]。这些聚合物不仅导致资源浪费，还会对生态系统造成严重污染。因此，开发可持续和环保的替代材料已成为当务之急。在众多替代材料中，脂肪族聚碳酸酯（APC）因其优异的绿色降解性和低生物毒性而受到关注[[3], [4], [5], [6]]。聚碳酸酯材料在使用后可以通过自然过程降解，显著减轻环境负担，满足当前的可持续性要求。其低生物毒性也使其成为安全的选择。因此，聚碳酸酯材料不仅有效解决了传统石油基聚合物带来的环境问题，也为绿色材料的未来发展指明了方向。这些特性使APC在推进可持续材料科学和技术方面具有巨大潜力。
将自修复性能引入弹性体是构建可持续材料系统的关键策略之一。通过模仿生物损伤修复机制（如皮肤再生），这些材料获得了自主修复能力，有效减缓了由微裂纹积累引起的性能下降，显著延长了使用寿命，并减少了资源消耗[[7], [8], [9], [10]]。这类材料在柔性电子和智能密封等领域的广泛应用进一步突显了它们在平衡功能性与环境效益方面的独特优势[[11], [12], [13]]。目前，弹性体的自修复能力主要依赖于两种化学设计：（1）动态共价键（如可逆的二硫键[14]、硼酸酯键[15]和Diels-Alder加合物[16]），它们通过控制共价网络中的键断裂和重构来实现损伤修复；（2）非共价相互作用（如多个氢键[17]、金属-配体配位[18]和π–π堆叠效应[19]），通过快速重建动态物理交联点来恢复材料完整性。然而，这些策略通常存在明显局限性：动态共价键的重新连接通常需要外部刺激，如高温或机械压力，导致修复效率低且能耗增加。相比之下，动态非共价相互作用无需外部刺激即可实现快速修复，操作简单，适用于需要快速修复和高加工性的应用。
虽然弹性体的自修复性能可以延长使用寿命，但进一步整合形状记忆性能可以在多个维度上提高材料的可持续性。形状记忆行为使材料在热、光或磁场等外部刺激下能够从编程的临时形状恢复到原始配置。这种动态响应性不仅拓宽了智能应用的范围，还通过微观结构重排辅助修复过程，从而实现性能的协同提升[[20], [21], [22], [23], [24]]。例如，Yang等人[25]证明，在相分离的聚己内酯系统中，形状记忆诱导的相变可以储存弹性应变能，为受损界面的动态键重构提供驱动力，从而加速自修复过程。类似地，Hornat等人[26]利用形状记忆聚氨酯系统中硬段和软段的微相分离结构，通过形状恢复力实现了自修复性能的方向性增强。这些研究表明，形状记忆功能可以调节材料内部的能量储存和释放途径，从而减少自修复对外部能量输入的依赖，符合绿色制造的理念。
为了实现自修复效率和机械性能的协同优化，同时精确调节形状记忆响应性，光热刺激已成为设计多功能弹性体的革命性策略。尽管涉及动态键或柔性聚合物段的传统设计可以提高修复速率，但机械强度的相应下降严重限制了其工程应用性。通过引入碳纳米管[27]、MXenes[28]或金属配位单元[29]等光热转换组分，在近红外（NIR）光照射下可以实现双重效应：局部精确加热和动态网络激活。一方面，光热诱导的动态键重构（例如Cu-吡啶配位键）可以在60秒内修复90%的微裂纹，同时保持超过95%的原始模量。另一方面，光热能量可以用来精确调节形状记忆材料的相变温度，通过调整光强度或波长实现形状恢复速率的可编程控制。例如，Hou等人[30]开发的Cu-吡啶配位弹性体在808纳米激光照射下表现出82%的光热转换效率。这不仅促进了高效的自修复界面键重构，还通过光控加热（ΔT = 10–80°C）实现了形状恢复动力学的实时调节，使材料在30秒内从临时螺旋配置可逆地恢复到原始薄膜状态。这些发现为开发结合快速自修复和智能形状适应性的下一代绿色弹性体奠定了坚实基础。
本研究提出了一种生物降解聚碳酸酯弹性体的合成策略，以解决传统石油基弹性体的降解性和不可再生性问题。使用5-甲基-5-苄氧基羰基-三甲酸酯（MBC）和1,4-二氧环己烷-2-酮（DO）作为单体，甲氧基聚乙二醇（mPEG113）作为大分子引发剂，通过开环聚合制备主链中含有可降解碳酸酯单元的弹性体材料。在聚合物网络中引入了多种可逆的非共价相互作用，包括羟基和羰基之间的氢键以及芳香基团之间的π–π堆叠。在此基础上，引入普鲁士蓝颗粒（PBPs）原位制备了光热响应复合弹性体。PBPs在弹性体网络中充当高效的近红外光热转换器，实现了快速自修复和改善的形状恢复。该复合材料还表现出良好的生物相容性和降解性，符合可持续材料设计的原则。
材料
N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度≥98%）、2,2-双（羟甲基）丙酸（纯度≥98%）、四氢呋喃（THF，纯度≥98%）、三乙胺（纯度≥98%）和mPEG113（Mn = 5000，纯度≥98%）购自Alpha Chemical。八氧化二锡（Sn(Oct)2，纯度99.8%由Sigma-Aldrich提供。1,4-二氧环己烷-2-酮（DO，纯度99.8%购自济南生物工程有限公司。苄基氯（纯度≥98%由上海化学试剂公司提供。乙基氯甲酸酯
设计、合成和表征
通过原位聚合制备PBPs掺杂的弹性体E1:2@PBPsx的合成路线如图1(a)所示。为了进一步研究弹性体的分子组成和内部相互作用机制，进行了FT-IR光谱分析。E1:2弹性体表现出C–O–C键的特征拉伸振动峰（1139/cm）、C–H弯曲峰（1399/cm）、C=O拉伸峰（1756/cm）和C–H拉伸峰（2967/cm）。在3438/cm处观察到一个宽而强烈的吸收峰
结论
总之，本研究报道了一种通过原位引入普鲁士蓝颗粒（PBPs）制备的新型可持续脂肪族聚碳酸酯复合弹性体。所得材料表现出显著的近红外（NIR）光热加热能力，并在关键性能上有所改进，包括自修复性能。在网络设计中，可逆的非共价相互作用（如氢键和分子间π–π堆叠）参与了形成
未引用的参考文献
[33,36,37,38,39,40,42]
CRediT作者贡献声明
韩思雨：撰写 – 原稿撰写。郑雅轩：软件、数据管理。尚永新：研究、数据分析。胡建社：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。孙思雨：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取。陈静：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目协调、资金获取。杨立群：监督、资源管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了福建省自然科学基金（编号2024J01322）、辽宁省科技计划联合项目技术研究计划（编号2024JH2/102600138）、辽宁省科技计划联合项目（编号2024JH2/102600340、2023JH2/101700151、2023JH2/101700119和2023JH2/101700145）、国家癌症中心攀登计划（编号NCC201906B03）以及国家自然科学基金重点项目的支持
