锻炼使水凝胶更像肌肉

人体骨骼肌具有独特的性质组合，材料研究人员寻求自己的创造。它们结实，柔软，富含水分，并且耐疲劳。麻省理工学院研究人员的一项新研究发现，有一种方法可以为合成水凝胶提供这一整套特性：让它们经过充分的锻炼。

特别是，科学家们通过在水浴中拉伸水凝胶来对水凝胶进行机械训练。就像骨骼肌一样，“健身房”的代表也得到了回报。训练将纳米纤维与水凝胶内部结合，产生强韧，柔软和水合的材料，抵抗数千次重复运动的破坏或疲劳。

麻省理工学院机械工程副教授Xuanhe Zhao表示，在实验中训练的聚乙烯醇(PVA)水凝胶是众所周知的生物材料，研究人员将其用于医疗植入物，药物涂层和其他应用。“但是直到现在还没有设计或制造出具有这四种重要特性的产品。”

在本周发表在“美国国家科学院院刊”上的论文中，赵和他的同事们描述了水凝胶是如何被3D打印成各种形状的，可以训练开发出类似肌肉的套件。属性。

未来，这些材料可用于植入物，如“心脏瓣膜，软骨置换术和脊椎盘，以及软机器人等工程应用”，赵说。麻省理工学院的其他作者还包括研究生林少婷，博士后刘骥和研究生刘勋月在赵的实验室。力量训练和更多

卓越的承重天然组织，如肌肉和心脏瓣膜，是材料研究人员的生物学吸取，但设计能同时捕捉所有特性的材料非常具有挑战性，赵说。

例如，可以设计具有高度排列纤维的水凝胶以赋予其强度，但它可能不像肌肉那样柔韧，或者它可能没有水含量使其与人类相容。“人体中的大部分组织含有约70%的水，因此如果我们想在体内植入生物材料，更高的含水量对于身体的许多应用来说更为理想，”赵解释说。

PNAS研究的第一作者林说，机械训练可以产生类似肌肉的水凝胶的发现是一件意外事故。研究小组一直在对水凝胶进行循环机械加载试验，试图找到水凝胶开始分解的疲劳点。他们感到惊讶的是发现循环训练实际上加强了水凝胶。“循环加载后水凝胶强化现象与目前对水凝胶疲劳断裂的理解相反，但与训练后肌肉强化机制有相似之处，”Lin说。

在训练之前，构成水凝胶的纳米纤维是随机取向的。“在训练过程中，我们意识到我们正在调整纳米纤维，”林说，并补充说，对齐方式类似于重复运动时人体肌肉的对齐方式。这种训练使水凝胶更坚固，抗疲劳。在约1,000次拉伸循环后出现四种关键性质的组合，但是一些水凝胶在30,000次循环中被拉伸而没有分解。在对齐的纤维方向上，经训练的水凝胶的拉伸强度比未拉伸的水凝胶增加约4.3倍。

研究人员发现，与此同时，水凝胶表现出柔软的弹性，并保持84%的高含水量。

抗疲劳因子

科学家们转向共聚焦显微镜观察训练有素的水凝胶，看看他们是否能够发现其令人印象深刻的抗疲劳特性背后的原因。“我们把它们放在数千个负载循环中，为什​​么它不会失败呢?”林说。“我们所做的是垂直于这些纳米纤维进行切割，并试图在这种材料中传播裂缝或损坏。”

“我们在显微镜下对纤维进行染色，看看它们是如何因切割而变形的，[并发现一种称为裂纹钉扎的现象是导致抗疲劳的原因，”Ji说。

“在无定形水凝胶中，聚合物链随机排列，对于通过凝胶传播的损害不需要太多能量，”Lin补充道。“但在水凝胶的排列纤维中，垂直于纤维的裂缝被固定在适当的位置并防止拉长，因为它需要更多的能量才能逐一穿过对齐的纤维。”

事实上，受过训练的水凝胶打破了着名的疲劳阈值，由Lake-Thomas理论预测，该理论提出了破裂单层无定形聚合物链所需的能量，例如构成PVA水凝胶的那些。赵和他的同事得出结论，受过训练的水凝胶比理论预测的抗疲劳性高10到100倍。