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                像人類肌肉一樣,水凝膠竟可通過“健身”變強!

                北極蚊子 2019-5-5 14:53

                人類附著在骨骼上的肌肉——骨骼肌是一種很獨特的組織,它們結實、柔軟、富含水分、并極具抗疲勞能力。因此,科學家一直想發明能夠兼具這些特征的人造材料。

                近日,麻省理工學院(MIT)機械工程副教授趙選賀帶領的研究團隊,發明了一種合成水凝膠,成功復制了這些特征。他們使用的是醫療領域十分常見的聚乙烯醇(PVA)水凝膠,只不過對其進行了特殊的“機械訓練”,就像人類在健身房鍛煉一樣。

                這些可以被 3D 打印成不同形狀的水凝膠在經過“健身”訓練之后,其內部納米纖維的排列形式會發生改變,不僅不會丟失原有的柔韌性,還能提高抗疲勞程度,承受數千次重復拉伸也不會斷裂。

                未來,這種材料有望用于制造心臟瓣膜和關節軟骨等醫用植入物,還可以應用于軟體機器人等工程領域。該研究以論文的形式發表于《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

                “機械載荷測試”的意外收獲

                肌肉和心臟瓣膜是優秀的天然承重組織,兼具驚人的韌性和柔軟度。材料科學家一直想要設計能夠與之媲美的人造材料,從而發明更優秀的人體組織替代物,但這一過程非常具有挑戰性。

                人體的大部分組織含水量都在 70%左右,因此人體植入物必須也要保證一定的含水量。

                在眾多材料中,水凝膠因其優異的吸水性和柔軟性而被給予厚望。但是普通水凝膠的強度較差,為了增加強度,通常的做法是制造內部纖維排列整齊的水凝膠,可這樣又會損失其吸水性和柔韌性,難以兩全其美。

                圖 | 水凝膠形變模擬圖(來源:Ji Liu, Shaoting Lin, Sinyue Liu)

                不過,趙教授的團隊在無意中發現了水凝膠的新特性。

                他們原本想用循環機械載荷測試,尋找導致水凝膠分解的疲勞點。現在的主流觀點認為,水凝膠會因為循環測試而疲勞,最終斷裂。但令人驚訝的是,這次的循環訓練讓水凝膠變強了,與人體肌肉訓練后的強化機制相似。

                研究人員解釋稱,在訓練之前,構成水凝膠的納米纖維是隨機排列的,而機械訓練改變了它們的排列方式,使其更加有序和整齊——這類似于重復運動后人體肌肉(纖維)的調整方式。

                在大約 1000 次循環拉伸之后,水凝膠開始展現出強韌和柔軟兼顧的特性,抗疲勞能力也有顯著提升,含水量仍然可以保持在 84%左右。在纖維排列的方向上施加拉力,訓練后水凝膠的拉伸強度約為訓練前的 4.3 倍。一些水凝膠甚至可以承受 3 萬次循環測試而不會斷裂。

                抗疲勞的原因

                為了找到獨特特性背后的原理,研究團隊使用了共聚焦顯微鏡觀察訓練后的水凝膠。

                他們首先將納米纖維染色,以便觀察,然后在上面橫向切開一個小口,觀察裂口的傳播方式,試圖搞清楚纖維將如何變形。

                結果顯示,裂紋釘扎(crack pinning)現象是導致抗疲勞的原因。

                簡單來說,就是當裂紋開始擴展時,它需要更多的能量才能逐一穿過排列整齊的纖維,而纖維會展現出釘扎作用,將裂口固定在一定的位置和大小,阻止其進一步擴大。在未經訓練的情況下,水凝膠內部的纖維并未整齊排列,因此不需要很大的能量就可以將其拉斷。

                更厲害的是,“健身”之后的水凝膠打破了經典的 Lake-Thomas 斷裂理論。該理論提出了破壞單層無定型聚合物鏈所需的能量,實驗使用的聚乙烯醇水凝膠就是這種類型,而訓練之后的水凝膠比理論預測的抗疲勞值高出 10 到 100 倍。

                這種兼顧韌性,柔軟性,吸水性和抗疲勞性的水凝膠,有望成為新型醫療植入物的制作材料,用來制造人造心臟瓣膜,關節軟骨和腰椎等關鍵人體組織。未來,研究團隊將探索更多的 3D 打印模型,拓展水凝膠的應用領域。

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