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MIT赵选贺团队揭示抗疲劳水凝胶设计原理|扩展|水凝胶|抗疲劳

来源:未知 作者:admin 人气: 发布时间:2019-01-27
摘要:来源:知社学术圈 水凝胶是人造软骨、关节和椎间盘的理想替代材料。这些应用要求水凝胶具备循环加载下的抗疲劳性能。虽然人们开发了多种高韧水凝胶,但这些水凝胶在多次循环加

来源:知社学术圈

水凝胶是人造软骨、关节和椎间盘的理想替代材料。这些应用要求水凝胶具备循环加载下的抗疲劳性能。虽然人们开发了多种高韧水凝胶,但这些水凝胶在多次循环加载下会发生疲劳断裂,它们的疲劳阈值通常只有1-100J/m2。今日,三沙新闻网 三沙新闻网 MIT赵选贺团队揭示了抗疲劳水凝胶的设计原理:让疲劳裂纹在扩展中遇到并且断裂比一层高分子链强韧很多的物体,例如纳米晶域等。团队通过引入可控的纳米晶域,可以提高水凝胶的疲劳阈值到1000 J/m2以上。抗疲劳设计原理可以用来指导开发具有长期使用价值的水凝胶设备和器械。

水凝胶正被广泛应用于医疗器械和生物电子设备等领域,包括可穿戴水凝胶电子1,2,口服水凝胶设备 3,可拉伸水凝胶光纤 4,水凝胶涂层5,以及水凝胶软体机器人等6。水凝胶在器械和设备领域的应用要求水凝胶具备循环加载下的抗疲劳特性。

近十几年,人们开发了各种高韧水凝胶,其中最著名的例子是双网络水凝胶7,8。增韧水凝胶的原理是在可拉伸的高分子网络中引入机械耗散,阻碍裂纹扩展(参见综述9)。但是这些增韧水凝胶在多次循环加载下的抗疲劳特性通常很差,它们的疲劳阈值只有1-100 J/m2 10。因为疲劳裂纹的扩展只需断裂一层高分子链,并不受额外引入的机械耗散影响。如何设计具有抗疲劳断裂的水凝胶仍是软材料领域的一大难题。

图1。 抗疲劳水凝胶设计原理:让疲劳裂纹在扩展中遇到并断裂比一层高分子链强韧很多的物体。

人体的韧带肌肉大概每年承受几百万次兆帕级的应力,并且保持疲劳阈值在1000 J/m2以上。韧带肌肉中胶原蛋白的有序晶区可能是它们抗疲劳的原因。受生物组织启发,今日发表在《Science Advances》上的文章中 (Science Advances, 5:eaau8528 (2019)),MIT赵选贺团队提出了抗疲劳水凝胶的设计原理:让疲劳裂纹在扩展中遇到并且破坏比一层高分子链强韧很多的物质,例如纳米晶域等(图1)。

为了验证抗疲劳水凝胶的设计原理,赵选贺团队选用了常见的医用聚合物聚乙烯醇 (PVA),通过冷冻解冻和高温退火,实现可控的纳米晶域。他们首先通过差示扫描量热法(DSC),定量测量了PVA水凝胶在完全干燥和充分溶胀状态下的结晶度(图2)。PVA水凝胶的结晶度随着退火时间的增加而增加,但相应的水含量随之减小,那是因为扩大的晶域会不断消耗水凝胶中具有吸水能力的无定形分子链的含量。他们进一步通过X射线散射定量测量了PVA水凝胶在不同退火时间下的纳米晶域大小和间距。由图2所示,随着高温退火时间的增加,PVA水凝胶纳米晶域尺寸在增加,而相邻晶域的间距在缩小。这种纳米晶域随着退火时间的演化进一步通过原子力显微镜(AFM) 得到了验证。

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