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產品百科

鍛煉使水凝膠更像肌肉

機械“訓練”產生堅固,抗疲勞且柔軟的水凝膠,可用于醫學。
人體骨骼肌具有獨特的性質組合,材料研究人員尋求自己的創造。它們結實,柔軟,富含水分,并且耐疲勞。山東高空作業車研究人員的一項新研究發現,有一種方法可以為合成水凝膠提供這一整套特性:讓它們經過充分的鍛煉。

特別是,科學家們通過在水浴中拉伸水凝膠來對水凝膠進行機械訓練。就像骨骼肌一樣,“健身房”的代表也得到了回報。訓練將納米纖維與水凝膠內部對齊,以產生堅固,柔軟和水合的材料,抵抗數千次重復運動的擊穿或疲勞。

山東高空作業車機械工程副教授Xuanhe Zhao表示,在實驗中訓練的聚乙烯醇(PVA)水凝膠是眾所周知的生物材料,研究人員將其用于醫療植入物,藥物涂層和其他應用?!暗侵钡浆F在還沒有設計或制造出具有這四種重要特性的產品?!?/p>

在本周發表在“ 美國某家科學院院刊”上的論文中,Zhao和他的同事們描述了水凝膠是如何被3D打印成各種形狀的,可以訓練開發出類似肌肉的套件。屬性。

未來,這些材料可用于植入物,如“心臟瓣膜,軟骨置換術和脊椎盤,以及軟機器人等工程應用”,趙說。

山東高空作業車的其他作者還包括研究生林女士,博士后劉先生和研究生劉女士在趙的實驗室。

力量訓練和更多

卓越的承重天然組織,如肌肉和心臟瓣膜,是材料研究人員的生物學吸取,但設計能同時捕捉所有特性的材料非常具有挑戰性,趙說。

例如,可以設計具有高度排列纖維的水凝膠以賦予其強度,但它可能不像肌肉那樣柔韌,或者它可能沒有水含量使其與人類相容?!叭梭w中的大部分組織含有約70%的水,因此如果我們想在體內植入生物材料,更高的含水量對于身體的許多應用來說更為理想,”趙解釋說。

PNAS研究的一作者林說,機械訓練可以產生類似肌肉的水凝膠的發現是一件意外事故。研究小組一直在對水凝膠進行循環機械加載試驗,試圖找到水凝膠開始分解的疲勞點。他們感到驚訝的是發現循環訓練實際上加強了水凝膠。

“循環加載后水凝膠強化現象與目前對水凝膠疲勞斷裂的理解相反,但與訓練后肌肉強化機制有相似之處,”Lin說。

在訓練之前,構成水凝膠的納米纖維是隨機取向的?!霸谟柧氝^程中,我們意識到我們正在調整納米纖維,”林說,并補充說,對齊方式類似于重復運動時人體肌肉的對齊方式。這種訓練使水凝膠更堅固,抗疲勞。在約1,000次拉伸循環后出現四種關鍵性質的組合,但是一些水凝膠在30,000次循環中被拉伸而沒有分解。在對齊的纖維方向上,經訓練的水凝膠的拉伸強度比未拉伸的水凝膠增加約4.3倍。

研究人員發現,與此同時,水凝膠表現出柔軟的彈性,并保持84%的高含水量。

抗疲勞因子

科學家們轉向共聚焦顯微鏡觀察訓練有素的水凝膠,看看他們是否能夠發現其令人印象深刻的抗疲勞特性背后的原因?!拔覀儼阉鼈兎旁跀登€負載循環中,為什??么它不會失???”林說?!拔覀兯龅氖谴怪庇谶@些納米纖維進行切割,并試圖在這種材料中傳播裂縫或損壞?!?/p>

“我們在顯微鏡下對纖維進行染色,看看它們是如何因切割而變形的,[并發現一種稱為裂紋釘扎的現象是導致抗疲勞的原因,”Ji說。

“在無定形水凝膠中,聚合物鏈隨機排列,對于通過凝膠傳播的損害不需要太多能量,”Lin補充道?!暗谒z的排列纖維中,垂直于纖維的裂縫被固定在適當的位置并防止拉長,因為它需要更多的能量才能逐一穿過對齊的纖維?!?/p>

事實上,受過訓練的水凝膠打破了著名的疲勞閾值,由Lake-Thomas理論預測,該理論提出了破裂單層無定形聚合物鏈所需的能量,例如構成PVA水凝膠的那些。趙和他的同事得出結論,受過訓練的水凝膠比理論預測的抗疲勞性高10到100倍。

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