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山东高空作业车:锻炼使水凝胶更像肌肉

机械“训练”产生坚固,抗疲劳且柔软的水凝胶,可用于医学。
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。山东高空作业车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对齐,以产生坚固,柔软和水合的材料,抵抗数千次重复运动的击穿或疲劳。

山东高空作业车机械工程副教授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●!暗侵钡较衷诨姑挥猩杓苹蛑圃斐鼍哂姓馑闹种匾匦缘牟贰●!

在本周发表在“ 美国*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。

山东高空作业车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●!叭颂逯械拇蟛糠肿橹性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*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●!霸谘盗饭讨校颐且馐兜轿颐钦诘髡擅紫宋绷炙担⒉钩渌担云敕绞嚼嗨朴谥馗丛硕比颂寮∪獾亩云敕绞健U庵盅盗肥顾焊峁蹋蛊@汀T谠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●!拔颐前阉欠旁谑Ц龈涸匮分校??么它不会失败?”林说●!拔颐撬龅氖谴怪庇谡庑┠擅紫宋星懈睿⑹酝荚谡庵植牧现写チ逊旎蛩鸹怠●!

“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●!暗谒旱呐帕邢宋校怪庇谙宋牧逊毂还潭ㄔ谑实钡奈恢貌⒎乐估ぃ蛭枰嗟哪芰坎拍苤鹨淮┕云氲南宋●!

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。

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