综述：基于天然聚合物的软驱动器：从生物质资源到生物应用

《Journal of Materials Chemistry B》：Natural polymer-based soft actuators: from biomass to bioapplications

天然聚合物软驱动器在生物医学和可降解应用中展现潜力，但其响应速度慢、机械强度不足等问题仍需解决。本文系统总结了材料选择（多糖、蛋白质、多酚）、结构设计（单层/多层、纤维/凝胶）及驱动机制（湿度、pH、离子、温度、光、电），并分析了其在非侵入式（如柔性机器人、智能纺织品）和侵入式（如药物递送、组织再生）应用中的进展。未来需通过复合材料和智能结构设计提升性能，促进临床转化。

　　自然聚合物软致动器因其在可穿戴设备、植入式材料和软体机器人领域的广泛应用而备受关注。这些软致动器通常由合成或天然聚合物构成，其中天然聚合物由于其可再生性、成本效益、生物相容性和可降解性，为特定生物应用提供了新的可能性。然而，尽管天然聚合物在生物应用中展现出了诸多优势，其在实际应用中的性能仍然存在诸多挑战，如响应速度、驱动能量、可控性和可编程性等。这些性能限制了它们在更复杂或高要求的生物应用中的使用。因此，为了推动天然聚合物软致动器向更广泛的应用场景发展，需要深入理解其结构和性能如何影响致动行为，并探索如何通过结构设计和功能调控来优化这些特性。

### 一、自然聚合物软致动器的通用设计原则

自然聚合物软致动器的设计涉及材料选择、结构设计和操控模式三个方面。在材料选择上，天然聚合物需要具备良好的生物相容性、可加工性、可降解性和功能多样性。例如，某些天然聚合物如海藻酸盐、壳聚糖和纤维素因其独特的化学结构和物理特性，可以作为软致动器的构建材料。此外，为了提升性能，还常常引入交联剂、改性剂或其他功能组，如阳离子基团、动态键等，以增强材料的机械强度和响应能力。

在结构设计上，软致动器通常分为单层结构和多层结构。单层结构通过材料内部或几何上的不对称设计实现变形，如不同区域的交联密度差异、纳米结构或嵌入图案等。这些结构的不对称性决定了致动方向和幅度。而多层结构则通过不同层在刺激下的膨胀或收缩差异，实现弯曲或卷曲等运动。多层结构的设计可以显著提升致动器的响应速度和幅度，同时允许更复杂的运动模式。

在操控模式上，自然聚合物软致动器可以通过化学或物理刺激实现响应。化学刺激包括pH变化、离子浓度、酶活性等，而物理刺激则包括热、光、电、压力等。例如，pH敏感型致动器可以用于胃肠道治疗设备，而光响应型致动器则适合微创手术中的远程操控。在某些高级应用中，软致动器可能需要多模态操控，以增强其适应性和功能性。例如，智能组织工程支架可以通过结合离子和电刺激，更好地模拟动态生理环境，从而调节细胞行为。

### 二、来自生物资源的天然聚合物

天然聚合物主要来源于生物资源，包括多糖、蛋白质和多酚等。这些材料在生物相容性、可持续性和可调化学功能方面表现出色，因此成为软致动器的理想候选材料。

#### 多糖

多糖是自然界中最丰富的生物大分子之一，具有高度的可加工性和可降解性。常见的多糖包括海藻酸盐、壳聚糖、果胶、纤维素、淀粉和琼脂等。海藻酸盐因其丰富的羧酸基团，可以与多价阳离子（如Ca2?、Al3?、Zr??）形成离子交联网络，从而实现pH响应。然而，由于其离子交联网络在生理条件下容易解离，导致在侵入性应用中稳定性不足。壳聚糖是一种天然阳离子多糖，其氨基基团在酸性条件下可质子化为NH??，从而实现pH敏感性和抗菌性。其脱乙酰度决定了材料的电荷密度和结晶度，影响其机械性能和响应速度。

纤维素是一种高结晶度的天然多糖，具有出色的机械强度和抗疲劳性。它可以通过去除半纤维素和木质素后，直接用于制作湿气响应型致动器或作为基质模板。纤维素的高取向结构使其在需要高强度和耐疲劳的应用中表现出色，如软体机器人和生物医学设备。然而，纤维素的结晶域在大多数溶剂中不溶，这限制了其在分子层面的加工。因此，开发新型溶解方法（如N-甲基吗啉-N-氧化物、离子液体或尿素/碱系统）成为解决这一问题的关键。

淀粉是一种可再生的非离子多糖，具有独特的凝胶化特性，使其在热响应设备中具有广泛应用。通过调控淀粉分子间的氢键密度，可以实现对热响应行为的精确控制。然而，淀粉在机械性能上存在局限，如应变小于2%，因此需要进一步的增强策略。琼脂则因其热可逆的溶胶-凝胶转变能力而受到关注，但其凝胶化温度与人体体温存在冲突，限制了其在可注射场景中的应用。通过烷基化处理，可以降低琼脂的凝胶化温度，从而提升其在生物医学领域的适用性。

#### 蛋白质

蛋白质是生物体内不可或缺的成分，具有复杂的立体结构和丰富的功能基团。胶原蛋白和弹性蛋白是天然组织中的主要成分，它们通过构建不同的纤维结构，调节组织的刚度和透明度。然而，胶原蛋白在加工过程中需要通过酸、碱或酶解等手段进行处理，以获得适合制作致动器的悬浮液。明胶作为胶原蛋白的水解产物，具有良好的热可逆溶胶-凝胶转变能力，可以通过三螺旋结构的自组装实现响应。明胶的机械性能和结构稳定性不如天然胶原蛋白，因此常通过构建双网络结构或引入其他功能性组来增强其性能。

蜘蛛丝蛋白是一种具有高机械强度和超收缩性的天然蛋白质，其β-片层结构赋予其出色的韧性。然而，由于蜘蛛丝的获取受限于实验室规模，目前主要通过基因编辑技术合成蜘蛛丝蛋白。尽管如此，人工合成的蜘蛛丝蛋白仍无法完全复制天然蜘蛛丝的性能。同样，家蚕丝蛋白也具有出色的机械性能和湿气响应能力，但其加工过程仍面临挑战，如如何重建其天然的分层和晶体结构。

角蛋白是一种广泛存在于动物组织中的蛋白质，具有保护、耐久性和水绝缘等特性。它通常从羊毛和羽毛中提取，被用于化妆品、医疗产品等领域。角蛋白的α-螺旋结构在受力作用下可以转变为β-片层结构，从而实现形状固定和机械增强。然而，其响应速度仍然较慢，限制了其在快速响应型应用中的表现。

#### 多酚

多酚是一类广泛存在于植物中的化学物质，具有多种酚羟基和甲氧基等结构，能够与相邻分子或基质形成强连接，提供机械增强和良好粘附性。多酚通常作为多功能交联剂或改性材料应用于软致动器中，而非作为主要的网络骨架。例如，木质素作为最大的可再生芳香化合物来源，其复杂的三维结构使其在加工过程中面临挑战，需要通过磺化或催化处理等方式进行降解和分割。

聚多巴胺是一种由细菌发酵多巴胺形成的聚合物，具有丰富的羟基和强粘附性。它可以在碱性环境中自聚合，并在纳米物体或聚合基质表面沉积，用于改性或作为功能性填料。然而，聚多巴胺的透明度较差，限制了其在某些应用场景中的使用。单宁酸也是一种天然多酚，具有较高的功能性基团密度和良好的水溶性，常用于构建物理交联的软致动器。它在热响应和pH响应方面表现出色，但其在碱性环境中的稳定性较差，需要选择兼容材料以提升其性能。

### 三、致动性能与响应机制

自然聚合物软致动器的致动性能取决于其材料组成、结构设计和操控模式。不同材料对不同的刺激具有不同的响应机制，如湿气、pH、离子、酶、热、光和电等。

#### 湿气响应

湿气响应型致动器通常依赖于材料内部的物理交联或氢键网络。例如，纤维素基致动器在40%湿度下可缓慢卷曲，用于土壤钻探；而明胶基致动器在水浸润后可快速弯曲，用于机械抓取。这些致动器的响应速度和幅度通常与材料的吸湿能力和交联密度有关。然而，湿气响应型致动器的响应速度较慢，且对环境湿度变化敏感，这限制了其在需要快速响应的应用中的使用。

#### pH响应

pH响应型致动器主要依赖于材料中功能基团的电荷状态变化。例如，木质素基水凝胶在酸性条件下可弯曲超过200°，用于物体抓取；壳聚糖/纤维素基薄膜在酸性环境下也可实现弯曲和卷曲变形。这些致动器的性能受pH值的影响较大，因此在酸性较强的胃肠道环境中具有较高的适用性。然而，其在体内应用时可能面临稳定性问题，因为pH值的变化可能影响其结构和功能。

#### 离子响应

离子响应型致动器通常依赖于材料中的电荷相互作用。例如，海藻酸盐/壳聚糖基致动器在NaCl溶液中可实现200–430°的弯曲，用于物体抓取。这类致动器通常使用非有害的生理离子（如Na?、K?、Ca2?、Cl?等）作为刺激源，而重金属离子（如Pb2?、Hg2?等）则可能对生物体造成毒性。因此，在生物应用中，通常优先考虑生理离子的影响。

#### 酶响应

酶响应型致动器通过酶的分解或生长作用实现响应。例如，明胶基致动器在胶原酶溶液中可发生结构变化，从而实现动态响应。然而，这类致动器的响应速度通常较慢（3–4分钟），且缺乏可逆性，限制了其在需要快速响应的应用中的使用。此外，目前的酶响应致动器多基于合成聚合物，基于天然聚合物的报道较少，这限制了其在生物医学领域的应用潜力。

#### 热响应

热响应型致动器通常通过材料在不同温度下的结构变化实现响应。例如，淀粉基致动器在加热后可实现凝胶化，从而改变其形态。这种机制可以扩展到其他具有热响应特性的材料，如琼脂、明胶和果胶等。然而，体内加热可能对周围组织造成损伤，因此其响应温度范围受到限制。

#### 光响应

光响应型致动器通常依赖于光热效应，即通过光照射引起局部温度变化，从而改变材料的结构和性能。例如，聚多巴胺、聚吡咯和液态金属颗粒可以作为光热材料，用于自然聚合物基致动器的快速响应。然而，光响应型致动器通常需要直接照射，这在实际应用中可能受到障碍物（如衣物、皮肤、头发）的限制，且不适合植入场景。

#### 电响应

电响应型致动器通常依赖于材料的导电性或离子迁移能力。例如，丝蛋白基致动器在电场作用下可实现弯曲，而明胶/海藻酸盐基水凝胶在电刺激下可实现细胞的收缩运动。这类致动器通常需要引入导电材料或离子通道，以增强其电响应能力。然而，天然聚合物本身通常不导电，因此在电响应型致动器的设计中需要额外的改性。

#### 压力响应

压力驱动型致动器可以分为气动和液压两种类型，它们通过外部输入的高压气体或液体实现响应。这类致动器通常具有较高的可控性和可逆性，适合需要精确控制的应用。例如，基于明胶的气动致动器可以在压力变化下实现多方向运动，如障碍物搜索、检测和移动。然而，其响应速度和稳定性可能受到材料结构的影响。

### 四、生物医学应用

自然聚合物软致动器在生物医学领域展现出广泛的应用前景，尤其是在非侵入性和侵入性场景中。非侵入性应用包括软体机器人、智能纺织品和智能伤口敷料，而侵入性应用则包括药物递送、组织再生和植入式设备。

#### 非侵入性应用

非侵入性致动器通常用于外部环境，如软体机器人和智能纺织品。它们通过与环境中的湿度、pH、离子或压力等刺激相互作用，实现动态响应。例如，基于明胶和纤维素的软体机器人可以模拟人体肌肉和肌腱的运动，提供更自然的交互体验。智能纺织品则可以通过湿度响应实现透气性、热传导性和红外透射性的动态调节，从而改善人体微气候。这些应用需要材料具有良好的可加工性和可降解性，以避免对环境造成污染。

#### 侵入性应用

侵入性致动器通常需要通过手术植入体内，用于药物递送、组织再生和神经修复等。它们的优势在于良好的生物相容性和可降解性，避免了因手术移除而带来的二次损伤。例如，基于天然血液的磁性水凝胶纤维可用于靶向药物递送，通过磁场实现精确控制。此外，基于明胶和丝蛋白的组织工程支架可以通过电刺激或机械调控实现细胞行为的引导，如细胞增殖、分化、迁移和凋亡等。这些支架可以用于构建人工器官，如心脏或角膜。

在神经修复方面，天然聚合物致动器可以被植入神经损伤部位，通过其良好的柔韧性和可降解性，避免对神经组织造成额外损伤。例如，基于角蛋白的神经电极可以在植入后自缠绕在受损神经上，并在组织愈合后逐步降解。这类致动器不仅可以监测神经信号，还可以施加机械和电刺激，以恢复或替代神经功能。

### 五、挑战与未来展望

尽管自然聚合物软致动器在生物医学领域展现出巨大潜力，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，加工过程中可能会导致结构损伤，如链断裂和束状结构的解离，这限制了其在人工系统中的性能表现。因此，如何在加工过程中保持材料的完整性，或直接将天然结构（如丝蛋白的β-片层、胶原蛋白的三螺旋）转化为致动器的结构，是未来研究的重要方向。

其次，制造过程的可扩展性仍然是一个关键问题。多功能致动器通常需要复杂的结构设计和加工技术，这使得大规模生产变得困难。因此，开发先进的打印技术和墨水系统，以实现结构的均匀性和可重复性，是解决这一问题的潜在方向。

此外，天然聚合物在生理环境下的性能稳定性仍需进一步提升。例如，其机械强度和致动性能在体内可能会受到局部生化信号的影响，导致性能下降。因此，开发具有更高机械强度和稳定性结构的天然聚合物致动器，是实现其在高负载和高精度应用中的关键。

最后，长期生物安全性仍然是一个重要的研究课题。尽管许多天然聚合物具有良好的生物相容性和可降解性，但在长期体内应用中，其对细胞和组织的慢性影响仍需进一步评估。因此，系统性研究天然聚合物致动器在生物体内长期整合的效果，是推动其临床转化的重要基础。

综上所述，自然聚合物软致动器在生物医学领域展现出广阔的应用前景，但其在实际应用中仍需克服诸多挑战。通过深入研究材料结构、性能调控和加工技术，结合跨学科合作，有望推动自然聚合物软致动器的临床转化，并实现从生物资源到生物应用的“生命到生命”循环。