人類(lèi)附著在骨骼上的肌肉——骨骼肌是一種很獨(dú)特的組織,它們結(jié)實(shí)、柔軟、富含水分、并極具抗疲勞能力。因此,科學(xué)家一直想發(fā)明能夠兼具這些特征的人造材料。
近日,麻省理工學(xué)院(MIT)機(jī)械工程副教授趙選賀帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì),發(fā)明了一種合成水凝膠,成功復(fù)制了這些特征。他們使用的是醫(yī)療領(lǐng)域十分常見(jiàn)的聚乙烯醇(PVA)水凝膠,只不過(guò)對(duì)其進(jìn)行了特殊的“機(jī)械訓(xùn)練”,就像人類(lèi)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(jīng)過(guò)“健身”訓(xùn)練之后,其內(nèi)部納米纖維的排列形式會(huì)發(fā)生改變,不僅不會(huì)丟失原有的柔韌性,還能提高抗疲勞程度,承受數(shù)千次重復(fù)拉伸也不會(huì)斷裂。
未來(lái),這種材料有望用于制造心臟瓣膜和關(guān)節(jié)軟骨等醫(yī)用植入物,還可以應(yīng)用于軟體機(jī)器人等工程領(lǐng)域。該研究以論文的形式發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。
“機(jī)械載荷測(cè)試”的意外收獲
肌肉和心臟瓣膜是優(yōu)秀的天然承重組織,兼具驚人的韌性和柔軟度。材料科學(xué)家一直想要設(shè)計(jì)能夠與之媲美的人造材料,從而發(fā)明更優(yōu)秀的人體組織替代物,但這一過(guò)程非常具有挑戰(zhàn)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(yōu)異的吸水性和柔軟性而被給予厚望。但是普通水凝膠的強(qiáng)度較差,為了增加強(qiáng)度,通常的做法是制造內(nèi)部纖維排列整齊的水凝膠,可這樣又會(huì)損失其吸水性和柔韌性,難以?xún)扇涿馈?/p>
圖 | 水凝膠形變模擬圖(來(lái)源:Ji Liu, Shaoting Lin, Sinyue Liu)
不過(guò),趙教授的團(tuán)隊(duì)在無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了水凝膠的新特性。
他們?cè)鞠胗醚h(huán)機(jī)械載荷測(cè)試,尋找導(dǎo)致水凝膠分解的疲勞點(diǎn)?,F(xiàn)在的主流觀點(diǎn)認(rèn)為,水凝膠會(huì)因?yàn)檠h(huán)測(cè)試而疲勞,最終斷裂。但令人驚訝的是,這次的循環(huán)訓(xùn)練讓水凝膠變強(qiáng)了,與人體肌肉訓(xùn)練后的強(qiáng)化機(jī)制相似。
研究人員解釋稱(chēng),在訓(xùn)練之前,構(gòu)成水凝膠的納米纖維是隨機(jī)排列的,而機(jī)械訓(xùn)練改變了它們的排列方式,使其更加有序和整齊——這類(lèi)似于重復(fù)運(yùn)動(dòng)后人體肌肉(纖維)的調(diào)整方式。
在大約 1000 次循環(huán)拉伸之后,水凝膠開(kāi)始展現(xiàn)出強(qiáng)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(xùn)練后水凝膠的拉伸強(qiáng)度約為訓(xùn)練前的 4.3 倍。一些水凝膠甚至可以承受 3 萬(wàn)次循環(huán)測(cè)試而不會(huì)斷裂。
抗疲勞的原因
為了找到獨(dú)特特性背后的原理,研究團(tuán)隊(duì)使用了共聚焦顯微鏡觀察訓(xùn)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(kāi)一個(gè)小口,觀察裂口的傳播方式,試圖搞清楚纖維將如何變形。
結(jié)果顯示,裂紋釘扎(crack pinning)現(xiàn)象是導(dǎo)致抗疲勞的原因。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是當(dāng)裂紋開(kāi)始擴(kuò)展時(shí),它需要更多的能量才能逐一穿過(guò)排列整齊的纖維,而纖維會(huì)展現(xiàn)出釘扎作用,將裂口固定在一定的位置和大小,阻止其進(jìn)一步擴(kuò)大。在未經(jīng)訓(xùn)練的情況下,水凝膠內(nèi)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(jīng)典的 Lake-Thomas 斷裂理論。該理論提出了破壞單層無(wú)定型聚合物鏈所需的能量,實(shí)驗(yàn)使用的聚乙烯醇水凝膠就是這種類(lèi)型,而訓(xùn)練之后的水凝膠比理論預(yù)測(cè)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(yī)療植入物的制作材料,用來(lái)制造人造心臟瓣膜,關(guān)節(jié)軟骨和腰椎等關(guān)鍵人體組織。未來(lái),研究團(tuán)隊(duì)將探索更多的 3D 打印模型,拓展水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。
-
麻省理工
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
39瀏覽量
12281 -
3D打印
+關(guān)注
關(guān)注
26文章
3529瀏覽量
108632
原文標(biāo)題:MIT團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn):像人類(lèi)肌肉一樣,水凝膠竟可通過(guò)“健身”變強(qiáng)!
文章出處:【微信號(hào):deeptechchina,微信公眾號(hào):deeptechchina】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論