彈性體作為日常和工業(yè)用關鍵結構材料，在航空航天、生物醫(yī)療及可穿戴設備領域應用廣泛。然而，傳統(tǒng)熱固性彈性體（如丁基橡膠）不可降解且難以再加工，長期污染環(huán)境；而現(xiàn)有可生物降解彈性體又缺乏可重復加工性，醫(yī)用植入體甚至需二次手術取出。開發(fā)兼具生物降解性、熔融再加工能力及優(yōu)異彈性（>100%應變下回彈性與抗疲勞性）的材料，成為解決“生物降解-再加工-彈性”三重困境的國際難題。近期，中國科學院寧波材料所胡本林研究員、王靜剛教授級高工、劉斐研究員合作團隊在《先進功能材料》發(fā)表創(chuàng)新成果，提出“解鎖本征熵彈性”策略，通過一鍋熔融縮聚法成功制備可變組成的聚(乙烯-環(huán)己烷二甲醇丁二酸酯)（PECS）共聚酯。該材料單條分子鏈同時發(fā)揮可逆網(wǎng)絡和物理交聯(lián)點作用，其機械性能隨乙二醇（EG）含量增加從塑性轉變?yōu)閺椥?，彈性恢復率高達90%（200%應變下），并具備多重熔融再加工性、優(yōu)異血液相容性和生物降解性，有望替代不可降解彈性體緩解塑料污染。
圖1 揭示了該團隊的核心設計策略。與傳統(tǒng)熱塑性彈性體（TPEs）依賴硬段（聚酯）和軟段（聚醚）的相分離結構不同（圖1A），新策略通過三元共聚實現(xiàn)均質分子結構：以非平面環(huán)狀單體（1,4-環(huán)己烷二甲醇）為第一單體，丁二酸為第二單體，通過引入第三單體乙二醇（EG）降低玻璃化轉變溫度（Tg），使單鏈兼具物理交聯(lián)功能與本征熵彈性（圖1B），最終獲得可生物降解熱塑性彈性體（BTPEs）。
圖1. “解鎖本征熵彈性”策略設計可生物降解熱塑性彈性體示意圖。A) 傳統(tǒng)TPEs的相分離結構，由硬段（藍色）和軟段（橙色）組成；B) 通過第三單體（紅色）共聚調控均聚物（綠色）的熵彈性，使單鏈解鎖本征熵彈性，最終獲得BTPEs（棕色）。
圖2 展示了PECS的化學結構與性能表征。核磁共振譜（圖2B-C）證實成功合成高分子量無規(guī)共聚酯，其分子量可達83 kDa。熱分析顯示材料在空氣/氮氣中熱分解溫度均高于350℃。通過調控EG比例（2%-38%），玻璃化轉變溫度顯著降低，而室溫退火實驗（圖2E）表明材料具有緩慢結晶特性——約16天達結晶平衡，形成尺寸約3.5 nm的微晶（物理交聯(lián)點）和擴大的非晶區(qū)（5.7-14.5 nm），為熵彈性提供基礎。
圖2. PECS共聚酯的化學、熱力學及微觀結構表征。A) PECS化學結構；B) 1H NMR譜（藍框顯示EG比例遞增）；C) 13C NMR譜；D) 不同組分PECS的DSC曲線；E) PECS38隨結晶時間延長的DSC曲線；F) DMA分析；G) SAXS圖譜。
圖3 呈現(xiàn)了突破性的力學性能。隨著EG比例增加，材料從塑性（PECS2）轉變?yōu)閺椥裕≒ECS38），屈服現(xiàn)象消失且彈性恢復率躍升至87%（200%應變下）（圖3A-B）。PECS38展現(xiàn)超強抗疲勞性：12,000次循環(huán)后殘余應變<15%（圖3D），斷裂韌性高達343.59 MJ/m3，可承受自重10,000倍的載荷。原位X射線散射（圖3E）證實拉伸過程中晶體取向可逆變化，能量分析進一步揭示其獨特回彈機制（圖3F）。
圖3. PECS共聚物力學性能。A) 不同EG比例樣品的應力-應變曲線；B) 200%應變下循環(huán)應力-應變曲線；C) PECS38不同應變下的循環(huán)曲線；D) 抗疲勞性能（100%應變循環(huán)）；E) 拉伸應變下的SAXS圖譜；F) 回彈能量分析。
圖4 驗證了臨床應用潛力與降解性能。細胞實驗顯示PECS薄膜支持成纖維細胞高活性增殖（存活率>85%）（圖4A-B），溶血率僅0.1%（<5%安全閾值）（圖4C）。在酶降解實驗中，PECS38一天內失重超40%（圖4D），電鏡顯示表面形成1-20 μm降解孔洞（圖4F）；堆肥降解180天后生物降解率達88.8%（圖4E），超過微晶纖維素參比樣的92.4%，且EG含量越高降解越快。
圖4. PECS共聚物生物相容性與降解性能。A) CCK-8細胞活性熒光顯微圖（標尺：100 μm）；B) MC3T3-E1細胞活性（CCK-8法）；C) 溶血率測定；D) 酶促降解失重曲線；E) 堆肥降解曲線（MCC為參照）；F-G) PECS38在酶降解(F)和堆肥降解(G)不同時期的SEM圖像。
總結展望
該研究通過“單鏈雙功能”創(chuàng)新設計，結合一鍋法公斤級量產(chǎn)工藝，成功破解生物降解彈性體的性能瓶頸。PECS材料家族憑借可調節(jié)的力學性能、多重再加工能力和卓越生物相容性，為開發(fā)低成本、高性能且環(huán)境友好的彈性體提供了新范式，在醫(yī)療植入、可穿戴設備及可持續(xù)材料領域具有廣闊應用前景。
