麻省理工副教授趙選賀帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊“機(jī)械載荷測試”的意外收獲

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(jié)實、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，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)域十分常見的聚乙烯醇（PVA）水凝膠，只不過對其進(jìn)行了特殊的“機(jī)械訓(xùn)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(jīng)過“健身”訓(xùn)練之后，其內(nèi)部納米纖維的排列形式會發(fā)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(shù)千次重復(fù)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(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《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

“機(jī)械載荷測試”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(tuán)隊在無意中發(fā)現(xiàn)了水凝膠的新特性。

他們原本想用循環(huán)機(jī)械載荷測試，尋找導(dǎo)致水凝膠分解的疲勞點?，F(xiàn)在的主流觀點認(rèn)為，水凝膠會因為循環(huán)測試而疲勞，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，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——這類似于重復(fù)運動后人體肌肉（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 萬次循環(huán)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(tuán)隊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(jié)果顯示，裂紋釘扎（crack pinning）現(xiàn)象是導(dǎo)致抗疲勞的原因。

簡單來說，就是當(dāng)裂紋開始擴(kuò)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(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(xùn)練之后的水凝膠比理論預(yù)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(yī)療植入物的制作材料，用來制造人造心臟瓣膜，關(guān)節(jié)軟骨和腰椎等關(guān)鍵人體組織。未來，研究團(tuán)隊將探索更多的 3D 打印模型，拓展水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。