揭秘自愈合材料：一场微观尺度的奇迹自修复之旅

发表于2025-07-22|更新于2025-07-26|科技前沿

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大家好，我是 qmwneb946，一个对技术和数学充满热情的博主。今天，我们将共同踏上一段激动人心的旅程，深入探索一种令人惊叹的材料科学前沿——自愈合材料。想象一下，如果你的手机屏幕能自动修复划痕，汽车涂层能自行愈合裂缝，甚至桥梁的结构性损伤也能自我修复，那将是怎样的世界？这并非科幻，而是自愈合材料正在将梦想变为现实。

我们每天使用的材料，无论是塑料、金属、陶瓷还是复合材料，都在持续承受各种外部压力：磨损、冲击、温度变化、化学腐蚀等。这些应力最终会导致材料出现微裂纹，这些微裂纹会逐渐扩展，最终导致材料失效。传统的解决方案是定期检查、维护或更换，但这通常耗时、耗力且成本高昂。自愈合材料的出现，为这一困境提供了全新的视角：为什么不让材料自己来完成修复呢？

自愈合材料的核心理念是：赋予材料在损伤发生后，无需外部干预即可自我修复微观甚至宏观损伤的能力。这听起来像是生命体的专属特权，但科学家们正通过巧妙的化学和材料设计，让无生命的物质也拥有了“生命”的特征。今天，我们就来揭开这些神奇材料背后的化学机理。

一、为何自愈合如此重要？材料损伤的宿命与挑战

在深入探讨自愈合的化学奥秘之前，我们首先要理解为什么这项技术如此迫切和重要。传统的材料科学，在很大程度上专注于提高材料的初始强度、韧性和耐久性。然而，这些优异的初始性能往往无法阻止材料在长期使用过程中不可避免的损伤累积。

材料损伤的普遍性

无论是高强度的钢铁，还是轻质的复合材料，都逃不过损伤的命运。微裂纹是导致材料最终失效的罪魁祸首。这些裂纹可能源于：

机械应力： 重复的载荷、冲击、拉伸、压缩等。
疲劳： 长期循环应力下，材料内部结构发生累积性损伤。
环境因素： 温度剧变、紫外线辐射、氧化、水解等化学侵蚀。
制造缺陷： 生产过程中可能引入的微小缺陷。

这些微裂纹在宏观上可能难以察觉，但它们是潜在的“定时炸弹”。一旦形成，在应力集中作用下，它们会快速扩展，导致材料强度急剧下降，最终引发灾难性的失效。例如，飞机机翼上的微小裂纹可能导致结构性失效，管道中的裂纹可能导致泄漏，电子元件中的裂纹可能导致短路。

传统修复方法的局限性

目前，应对材料损伤的主要方法包括：

预防性维护： 定期检查，在损伤扩大前进行干预。这需要大量人力和资源，且往往无法检测到所有微观损伤。
修补或更换： 对于已发现的损伤，进行局部修补或整体更换。这不仅成本高昂，而且在许多应用场景下（如埋在地下的管道、难以触及的航天器部件）几乎不可能实现。
牺牲件设计： 在一些关键结构中，通过设计易于更换的牺牲件来保护主要结构，但这只是转移了问题。

这些方法治标不治本，且效率低下。它们都未能从根本上解决材料“老化”和“疲劳”的问题。因此，开发能够自我修复的材料，成为了材料科学领域的一个核心目标。它不仅能显著延长材料的使用寿命，降低维护成本，提高安全性，更重要的是，它代表了人类对材料未来发展的一种全新思考——从被动修复到主动防御。

二、自愈合材料的化学原理概述：从“断裂”到“新生”

自愈合，顾名思义，是材料在受到损伤后能够恢复其原始性能的能力。这个过程的实现，离不开精巧的化学设计。从微观层面看，自愈合的核心在于修复断裂的化学键或重新连接分散的材料组分。

宏观损伤与微观机制

当材料遭受机械损伤，如拉伸、剪切或冲击时，宏观上表现为裂纹的产生和扩展。在微观上，这意味着材料内部的分子链断裂、晶体结构错位或界面脱粘。自愈合材料的设计目标，就是在裂纹形成初期或扩展过程中，通过触发特定的化学或物理过程，促使裂纹两侧的断裂面重新连接，恢复材料的完整性和性能。

这个“修复”过程，需要满足几个基本条件：

损伤响应： 材料必须能够“感知”到损伤的发生。通常，裂纹的出现会提供一个触发信号，例如暴露新鲜表面、释放内部物质或改变局部应力状态。
修复能力： 必须有能够执行修复任务的“修复剂”或“修复机制”。
修复速度与效率： 修复过程应该足够快，以便在裂纹进一步扩展之前完成修复；修复后，材料的性能应尽可能恢复到损伤前的水平。
多次修复： 理想的自愈合材料能够经历多次损伤-修复循环。

两种主要策略：外源性与内源性愈合

根据修复剂的来源和作用方式，自愈合机制通常被划分为两大类：外源性（Extrinsic）自愈合和内源性（Intrinsic）自愈合。这两种策略各有优劣，并且它们的化学机理也大相径庭。

外源性自愈合（Extrinsic Self-Healing）：
- 这类材料的修复能力源于预先封装在材料内部的修复剂或功能组分。
- 当裂纹扩展时，这些封装结构（如微胶囊或血管网络）被破坏，释放出修复剂，修复剂在裂纹面发生反应，从而实现修复。
- 可以想象成材料内部预埋了“急救包”。
- 化学机理：主要涉及聚合反应、交联反应或粘合作用。
内源性自愈合（Intrinsic Self-Healing）：
- 这类材料的修复能力是其自身分子结构所固有的。材料基质本身就具备可逆的键合能力。
- 当裂纹发生时，断裂的键可以重新形成，或者在外部刺激（如热、光、pH值）下，分子链可以重新排列并连接。
- 可以想象成材料自身具备“再生”能力。
- 化学机理：主要涉及可逆共价键、超分子相互作用、离子键等动态化学键的形成与断裂。

接下来，我们将详细探讨这两种自愈合策略背后的具体化学机理。

三、外源性自愈合：预埋的“急救包”

外源性自愈合机制依赖于将修复剂预先封装在材料内部。当裂纹扩展并遇到这些封装结构时，它们会被破坏，释放出修复剂，从而引发修复反应。

3.1 微胶囊策略：最经典的范式

微胶囊策略是自愈合材料领域最早提出且研究最广泛的方法之一。其核心思想是将修复剂（通常是液态单体）和/或催化剂分别封装在微米级的胶囊中，然后将这些胶囊分散到基体材料中。

工作原理

损伤触发： 当材料受到外力并产生裂纹时，裂纹会沿扩展路径破坏途中的微胶囊。
修复剂释放： 被破坏的微胶囊释放出内部的液态修复剂和/或催化剂。
接触与反应： 修复剂流向裂纹尖端，与预先分散在基体中的另一组分（如催化剂或另一反应物）接触。
原位聚合/固化： 修复剂在裂纹内部发生聚合或交联反应，形成固态聚合物，填充并粘合裂纹，从而实现修复。

关键化学组分与反应

修复剂： 最常用的修复剂是二环戊二烯 (DCPD)。它是一种低粘度、易于封装的液态单体。
催化剂： 与 DCPD 配合的典型催化剂是格拉布斯催化剂 (Grubbs Catalyst)，特别是第二代格拉布斯催化剂。这是一种钌基络合物，能够高效催化 DCPD 的开环易位聚合 (Ring-Opening Metathesis Polymerization, ROMP)。
- 其反应式通常简化为：
  $n \cdot \text{DCPD} \xrightarrow{\text{Grubbs Catalyst}} \text{Poly(DCPD)}$
  这里的 $n$ 代表聚合度。DCPD 自身的分子结构中包含两个环，当其中一个环在催化剂作用下开环并聚合时，可以形成交联的聚合物网络，从而有效填充裂纹。
封装材料： 微胶囊的壁材至关重要。它需要足够坚硬以防止在材料加工过程中破裂，但又足够脆弱以便在裂纹扩展时破裂。常用的壁材包括：聚脲 (PU)、三聚氰胺-甲醛 (MF) 树脂、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 等。

优势与局限

优势： 概念清晰，易于理解和实现；修复效率较高，尤其适用于较小的裂纹；对多种聚合物基体都适用。
局限：
- 一次性修复： 一旦胶囊破裂并释放修复剂，该区域的修复能力就消耗殆尽，无法进行二次修复。
- 修复剂用量限制： 材料中微胶囊的含量有限，过高会影响材料的机械性能。
- 胶囊分布： 修复效果受胶囊在材料中分散均匀性的影响。
- 催化剂失活： 某些催化剂对湿气和氧气敏感，可能随着时间推移而失活。

3.2 血管网络策略：仿生自愈合

受生物体血管网络的启发，血管网络策略旨在通过在材料内部构建互联的微通道网络来输送修复剂。

工作原理

损伤触发： 当裂纹扩展到微通道时，通道被破坏。
修复剂输送： 由于毛细作用或外部压力，通道内的液态修复剂被输送到裂纹处。
连续供给： 与微胶囊不同，血管网络可以持续为裂纹提供修复剂，直到裂纹被完全填充。
多重修复： 理论上，只要修复剂持续供应，材料就可以在不同位置多次修复。

构建方法

牺牲模板法： 在材料固化前，嵌入可牺牲的纤维（如糖纤维），待材料固化后，通过加热或溶解移除模板，留下互联通道。
3D 打印： 利用先进的 3D 打印技术直接构建复杂的内部通道结构。
直接写刻法： 利用激光或其他微加工技术在材料内部刻画通道。

优势与局限

优势： 理论上可实现多次修复；可修复较大范围的损伤；修复剂可连续供给。
局限：
- 制造复杂性： 构建复杂的血管网络在技术上更具挑战性，成本高昂。
- 修复剂泄漏： 如果通道被破坏，修复剂可能会持续泄漏，造成浪费或环境问题。
- 自重与结构完整性： 引入大量空腔结构可能影响材料的整体力学性能。

外源性自愈合机制通过“预埋”修复资源，在损伤发生时进行“急救”。虽然效率高，但其“一次性”或“有限次”的特点，促使科学家们探索更持久、更“智能”的修复方式，这就是内源性自愈合。

四、内源性自愈合：材料自身的“再生”能力

与外源性机制不同，内源性自愈合材料的修复能力是其自身分子结构所固有的，无需外部预封装的修复剂。这类材料通常利用可逆的化学键或动态的分子间作用力，使得材料在损伤后，断裂的键可以在一定条件下重新形成，从而实现修复。

4.1 可逆共价键：动态的分子纽带

可逆共价键（或称动态共价键）是内源性自愈合材料的核心。这类键在特定刺激下（如加热、光照、pH值变化）可以断裂，并在移除刺激后重新形成。当材料发生损伤时，裂纹处的分子链断裂，其端基或侧链上的可逆键可以重新结合，从而实现修复。

4.1.1 环加成反应：Diels-Alder (DA) 反应

Diels-Alder 反应是一种经典的有机化学反应，其特点是可逆性。一个共轭二烯与一个亲双烯体发生 [4+2] 环加成反应，形成一个六元环。该反应在加热时可以逆转，发生逆 Diels-Alder (Retro-Diels-Alder, rDA) 反应。

工作原理：
1. 将含有二烯（如呋喃基团）和亲双烯体（如马来酰亚胺基团）的聚合物链通过 DA 反应交联起来，形成网络结构。
2. 当材料产生裂纹时，部分 DA 键断裂。
3. 通过加热（通常在 100-150°C），未断裂的 DA 键发生 rDA 反应，释放出自由的二烯和亲双烯体基团，同时降低了材料的粘度。
4. 这些游离基团在裂纹界面处扩散并重新接触。
5. 冷却后，DA 反应再次发生，形成新的共价键，使裂纹愈合。
化学结构示例（概念图）：
1
2
Polymer-Furan + Polymer-Maleimide --DA Reaction--> Cross-linked Polymer
(Heat) <--rDA Reaction--
- 在分子层面，通常是聚合物骨架上引入呋喃和马来酰亚胺侧基，通过它们之间的 DA 反应实现交联。
- 反应示例（简化）：
  1
  2
  R1-Furan + Maleimide-R2 <=> R1-(DA Adduct)-R2
  (Heat) (Cool)
  $R_1$ $R_{1}$ , $R_2$ $R_{2}$ 代表聚合物链。
优势： 修复效率高，可在多次加热-冷却循环下重复修复；无需外部修复剂。
局限： 需要外部热源触发修复；修复温度可能影响材料其他性能。

4.1.2 动态酯键/酰胺键：维特默材料 (Vitrimers)

维特默 (Vitrimers) 是一类新兴的聚合物，它们具有热固性材料的机械强度和热塑性材料的可加工性。其核心在于通过可逆的键交换反应实现网络重排。

工作原理：
1. 维特默材料中包含动态共价键（如酯交换、酰胺交换、硫醇-烯交换等）。
2. 当材料受损或需要加工时，施加热量。
3. 在催化剂的存在下（可选），动态键发生交换反应，聚合物网络可以重排，类似于热塑性材料的流动。
4. 裂纹处的断裂键可以重新连接，材料恢复完整性。
5. 冷却后，新的网络结构形成并固定下来。
代表性反应：酯交换反应
例如，基于 β-羟基酯和羧酸的酯交换反应。

$R_1-COO-R_2 + R_3-OH \rightleftharpoons R_1-COOH + R_3-OOC-R_2$

在聚合物网络中，通过这种可逆的酯交换，断裂的聚合物链可以与邻近的链进行交换，实现网络的重组和修复。
优势： 可多次修复，甚至可以回收利用和重塑；无需预封装修复剂；修复效率高。
局限： 通常需要加热触发；键交换反应的速率和效率受催化剂和温度影响。

4.2 超分子相互作用：非共价的动态连接

超分子相互作用是指分子之间通过非共价键（如氢键、金属配位键、π-π 堆叠、疏水作用、宿主-客体作用等）形成的弱相互作用。这些作用力虽然弱于共价键，但其高度的方向性和可逆性使其成为自愈合材料的有力工具。

工作原理

分子设计： 将能够形成强超分子相互作用的基团引入聚合物链中（例如，尿嘧啶基团形成多重氢键，或含配位位点的配体）。
损伤触发： 当材料产生裂纹时，超分子键断裂。
自发修复： 由于超分子相互作用的动态性和可逆性，断裂的界面在分子热运动或轻微压力下可以重新靠近，超分子键自发重新形成，使裂纹愈合。
多次修复： 由于这些键是动态的，且形成-断裂过程是可逆的，因此可以实现多次甚至上百次的自愈合。

关键化学组分与作用

多重氢键： 最常见且有效的超分子自愈合策略之一。例如，基于脲嘧啶 (Ureidopyrimidinone, UPy) 单元的材料。UPy 单元能够形成四重氢键，提供强大的可逆交联点。
- 当 UPy 单元聚集形成域时，它们可以为材料提供结构完整性。当裂纹形成时，氢键断裂，但由于分子热运动，断裂面上的 UPy 单元可以重新扩散并形成新的氢键，从而实现修复。
- $A-B \dots H \dots C-D$ (氢键示意，其中 $H$ 是氢键供体， $\dots$ 是氢键)
金属-配体配位键： 将含有配体（如吡啶、三联吡啶等）的聚合物与金属离子（如 Fe(II), Zn(II), Ni(II) 等）混合，通过金属-配体配位作用形成可逆交联。
- $Polymer-L_1 + M^{n+} + L_2-Polymer \rightleftharpoons Polymer-L_1-M-L_2-Polymer$
- 当材料受损时，配位键断裂。在外界刺激（如溶剂、热、力）下，或者仅仅由于配位键的动态平衡，断裂的配位键可以重新形成。
宿主-客体相互作用： 例如，环糊精 (cyclodextrin) 作为宿主分子，可以包合一些合适的客体分子。
- 当材料中含有环糊精和相应客体基团的聚合物链时，它们通过包合作用形成可逆交联。
- 损伤后，包合作用断裂，但在重新接触后又可恢复。
离子簇/离子键： 在离子聚合物（Ionomers）中，带电荷的基团聚集形成离子簇，这些簇作为物理交联点。
- 在一定温度或应力下，这些离子簇可以解离和重组，使得材料具有流动性并能实现自愈合。

优势与局限

优势： 无需额外修复剂；修复过程通常是自发的，或仅需温和刺激（如轻微加热或压力）；可实现多次甚至多次数的修复；对环境友好。
局限：
- 机械性能： 超分子键通常较弱，可能导致材料的整体机械强度和刚度低于共价交联的材料。
- 环境敏感性： 某些超分子作用对温度、湿度、溶剂或 pH 值敏感，可能影响修复效率。
- 修复效率： 修复过程可能较慢，需要断裂面充分接触和重新扩散。

五、关键化学反应与机制的深入解析

前文我们概述了外源性和内源性自愈合的策略，现在我们来更深入地探讨一些具体的化学反应和其在自愈合中的应用。

5.1 聚合反应：从液态到固态的转变

在外源性自愈合中，最核心的就是在裂纹处发生聚合反应，将液态修复剂转化为固态聚合物，从而填充和粘合裂纹。

5.1.1 开环易位聚合 (ROMP)

我们之前提到了 DCPD 和 Grubbs 催化剂。ROMP 是一种由过渡金属催化的烯烃聚合反应，其特点是环状烯烃的开环和链增长。

DCPD 的 ROMP 机理：
1. 催化剂与 DCPD 的双键形成金属-碳烯复合物。
2. 复合物通过环加成和逆环加成步骤，使得环状单体开环并连接到聚合物链上，同时再生催化剂活性位点。
3. DCPD 含有两个双键（一个环外，一个环内），这使得聚合产物能够形成交联网络，从而增强修复体的强度。
Grubbs 催化剂的强大之处在于其对官能团的耐受性高、活性高、稳定性相对较好，使其成为自愈合材料的理想选择。

5.1.2 环氧开环聚合

环氧树脂是另一种常用的修复剂。它通常由环氧树脂和固化剂（如胺类、酸酐等）组成。

工作原理： 当裂纹破坏微胶囊时，环氧树脂和固化剂混合，发生开环聚合反应，形成坚硬的交联聚合物。
化学方程示例：
环氧基团 (-O-CH-CH2) 在胺（R-NH2）作用下开环聚合：
1
R-NH2 + H2C(O)CH-R' -> R-NH-CH2-CH(OH)-R'
这个反应持续进行，通过多个胺-环氧键形成，最终导致一个高度交联的聚合物网络。

5.2 动态共价键：键的“生”与“死”

内源性自愈合的关键在于动态共价键的利用，这些键能够在外部刺激下断裂，并在移除刺激后重新形成。

5.2.1 硫醇-二硫键交换

二硫键 (-S-S-) 是蛋白质和许多有机分子中常见的共价键。它可以在还原剂作用下断裂，也可以在氧化剂作用下形成。在自愈合材料中，利用硫醇-二硫键交换反应可以实现网络重排。

工作原理： 在一定温度或光照下，材料中的二硫键发生断裂和重组。
$R_1-S-S-R_2 + R_3-S-S-R_4 \rightleftharpoons R_1-S-S-R_3 + R_2-S-S-R_4$
或者，通过硫醇与二硫键的交换（称为硫醇-二硫键洗牌），实现网络重排。
$R_1-SH + R_2-S-S-R_3 \rightleftharpoons R_1-S-S-R_2 + R_3-SH$
当材料受损时，断裂的聚合物链端会暴露出硫醇或二硫键，通过上述交换反应，可以在裂纹界面重新形成键，实现修复。

5.2.2 硼酸酯键 (Boronic Ester)

硼酸酯键是另一类重要的动态共价键，由硼酸与二醇反应形成。这个反应在酸性或水存在的条件下是可逆的。

工作原理： 将含有硼酸基团和二醇基团的聚合物引入材料。
$R_1-B(OH)_2 + R_2-(OH)_2 \rightleftharpoons R_1-B(O_2R_2) + 2H_2O$
当材料受到损伤时，硼酸酯键断裂。在水或酸的存在下，或者通过加热，键可以重新形成，从而连接断裂的界面。这种材料对湿度敏感，可以利用环境中的水分触发修复。

5.3 超分子作用：自发愈合的魔法

超分子作用虽然弱，但其动态性使其在自愈合中展现出独特的优势。

5.3.1 氢键网络

氢键是分子间或分子内含氢原子与电负性原子（如 O, N, F）之间的静电吸引。在聚合物中引入大量能够形成多重氢键的基团，可以形成动态的物理交联网络。

示例：尿嘧啶 (UPy) 单元
UPy 单元能够通过四个氢键相互识别和结合，形成稳定的二聚体。
1
2
3
O=C--N-H....O=C
| ....|
N-H....N-H
（此处表示简化氢键网络，实际结构更复杂）
当材料断裂时，这些氢键被破坏。但由于氢键的动态平衡，断裂的界面只要能够再次靠近，这些氢键就会自发重新形成，驱动裂纹愈合。这种修复通常无需外部刺激，是“自发”的。

5.3.2 金属-配位键

金属离子与有机配体之间的配位键具有可逆性，其键合强度介于共价键和氢键之间。

示例：三联吡啶-Fe(II) 络合物
三联吡啶 (Terpyridine) 是一种经典的三齿配体，可以与过渡金属离子（如 Fe(II), Zn(II), Ni(II)）形成稳定的八面体或四面体配位络合物。
$n \cdot \text{Polymer-Terpyridine} + n \cdot \text{Fe}^{2+} \rightleftharpoons \text{Polymer-Terpyridine-Fe-Terpyridine-Polymer}_n$
这种配位键在受到机械力时可以断裂，但由于配位平衡的动态性，在力移除后或在轻微加热下可以重新形成，从而实现自愈合。通过选择不同的金属离子和配体，可以调节配位键的强度和动态性。

这些化学机制是自愈合材料的基石。通过巧妙地选择和组合这些反应，科学家们正在设计出越来越智能、高效的自愈合系统。

六、自愈合材料的应用前景与挑战

自愈合材料以其革命性的理念，正在改变我们对材料寿命和维护的传统认知。它的应用前景广阔，但挑战也并存。

6.1 广阔的应用前景

自愈合材料的潜能几乎涵盖了所有需要高可靠性、长寿命材料的领域：

航空航天： 飞机和航天器承受极端环境和应力，微裂纹是其主要威胁。自愈合涂层和结构材料可以显著提高飞行安全性，延长维护周期。例如，自愈合的复合材料可以修复微观损伤，防止疲劳裂纹扩展。
汽车工业： 汽车的漆面、轮胎、内饰以及结构部件都可能因磨损或冲击而损伤。自愈合涂层可以防止刮痕和腐蚀，自愈合轮胎可以修复小穿刺，提高行驶安全性。
生物医学： 生物相容的自愈合材料可用于植入体（如骨科支架、心脏瓣膜），一旦发生微损伤可自行修复，减少二次手术的风险。此外，自愈合水凝胶在组织工程、药物输送和可穿戴设备中也有巨大潜力。
电子设备： 柔性电子设备、可穿戴传感器在弯折和拉伸时易受损。自愈合导电材料、介电材料可以修复电路断裂，延长设备寿命。
基础设施： 桥梁、道路、建筑物的混凝土和涂层长期暴露于恶劣环境。自愈合混凝土和防腐涂层可以自行修复微裂纹，降低维护成本，延长结构使用寿命。
能源领域： 太阳能电池板、风力涡轮机叶片、电池隔膜等，都可以通过自愈合技术提高其韧性和耐久性，应对长期服役中的损伤。
可穿戴技术与机器人： 柔性机器人皮肤、可穿戴传感器等需要材料能够承受反复形变和损伤，自愈合特性尤为关键。

6.2 面临的挑战

尽管前景光明，自愈合材料仍处于发展阶段，存在诸多挑战：

修复效率与程度： 现有自愈合材料在修复效率和恢复原始性能方面仍有提升空间。对于较大的裂纹或多发性损伤，修复效果往往不理想。
多次修复能力： 许多自愈合系统（特别是微胶囊类）是“一次性”的，难以实现多次修复。虽然内源性机制具有多重修复潜力，但其修复效率和速度可能随着循环次数增加而下降。
修复速度： 对于快速扩展的裂纹，修复反应必须足够快才能有效阻止损伤。一些超分子和动态共价键的修复速度可能较慢。
环境敏感性： 许多自愈合机制对温度、湿度、pH 值、光照等环境因素敏感。在实际应用中，材料可能暴露在各种复杂的环境条件下。
机械性能兼容性： 引入修复机制（如微胶囊、超分子交联点）可能会牺牲材料的原始机械强度、韧性或加工性。如何在自愈合能力和力学性能之间取得平衡是一个关键问题。
成本与可扩展性： 许多高效的修复剂和催化剂（如格拉布斯催化剂）成本高昂。将实验室技术规模化生产，降低成本是商业化的重要障碍。
复杂性与集成： 将多种自愈合机制集成到单一材料中，以应对不同类型的损伤，是一个研究方向，但会增加材料设计的复杂性。
长期稳定性： 修复剂、催化剂或动态键在材料寿命周期内的长期稳定性是关键。例如，微胶囊可能在储存过程中泄漏，或催化剂活性下降。