2019年4月23日
人类骨骼肌柔软却强壮，对疲劳具有抵抗力，并且充满了水，这是材料研究人员为自己的作品所追求的特殊属性组合。亚博网站下载
机械训练的人造肌肉使用排列的纳米纤维（与骨骼肌肉中的类似抗疲劳的机制）抗性（裂纹）传播。（图片来源：Ji Liu，Shaoting Lin和Xinyue Liu）
现在，研究人员在麻省理工学院已经揭示了这种总特性可以通过对合成水凝胶进行剧烈锻炼来赋予合成水凝胶。
特别是研究人员，通过将合成水凝胶在水浴中膨胀来机械地训练了合成水凝胶。与骨骼肌肉一样，“健身房”的重复得到了回报。该锻炼使合成水凝胶中的纳米纤维对齐，以产生一种柔软，健壮和水合的材料，该材料对无数重复运动的抗疲劳或分解具有抗性。
在实验中训练的聚乙烯醇或PVA水凝胶是受欢迎的生物材料，科学家用于药物涂料，医疗植入物和许多其他应用，MIT机械工程副教授Xuanhe Zhao通知。亚博网站下载“但是到目前为止，尚未设计或制造这四个重要属性。”
赵和他的同事在他们的论文中描述了，该论文最近发表在《美国国家科学院会议论文集，亚博老虎机网登录如何将水凝胶3D打印成各种形状，可以训练以形成类似肌肉的特征。
在接下来的几天中，这些材料可能被用在诸如“亚博网站下载心脏阀，软骨替换和脊柱磁盘以及工程应用（例如软机器人），”赵说。
博士后刘，研究生劳动林和赵实验室的研究生Xunyue liu是报纸上的其他麻省理工学院作者。
训练力量和更多
心脏瓣膜和肌肉是出色的承载天然组织的例子，是对材料科学家的生物振动的例子。亚博网站下载但是，设计能够同时捕获其所有特征的材料亚博网站下载非常困难。
例如，可以使用高对准的纤维来设计水凝胶以增加强度。但是，它可能没有所需的水含量可以使其兼容用于人类，或者可能不像肌肉那样柔软。
人体中的大多数组织含有约70％的水，因此，如果我们想在体内植入生物材料，那么对于体内许多应用，更高的水含量更为可取。
麻省理工学院机械工程系副教授Zhao Zhao
林说，发现可以通过机械训练产生类似肌肉的水凝胶的发现是一个巧合。PNAS学习。科学家一直在水凝胶上进行环状机械载荷测试，以试图找到水凝胶开始分解的疲劳点。取而代之的是，他们惊讶地发现水凝胶实际上是通过循环训练加强的。
循环负荷后水凝胶增强的现象与当前对水凝胶疲劳裂缝的理解相反，但与训练后肌肉强化的机制具有相似性。
麻省理工学院机械工程系研究生林林
在训练之前，构成水凝胶的纳米纤维是任意定向的。
“在培训过程中，我们意识到我们正在对齐纳米纤维”林说，并补充说，对齐方式类似于经常运动中人类肌肉发生的事情。类似的培训使水凝胶抗疲劳和更强。在大约1,000个拉伸周期之后，出现了四个主要特征的组合，但某些水凝胶在没有破裂的情况下扩大了30,000多个周期。与未拉伸的水凝胶相比，受过训练的水凝胶的拉凝胶强度（在对齐纤维的方向）约为4.3倍。同时，水凝胶表现出柔软的柔韧性，并持续了84％的高水含量。
视频来源：麻省理工学院
抗fifigue因子
研究人员最终转向共聚焦显微镜检查训练有素的水凝胶，以检查他们是否可以找出其非凡的抗弱点性状背后的原因。
我们通过数千个负载循环进行了这些循环，所以为什么不失败呢？我们所做的是垂直于这些纳米纤维进行切割，并试图在此材料中传播裂缝或损坏。
麻省理工学院机械工程系研究生林林
我们将显微镜下的纤维染色，以查看它们是如何因切割而变形的，[发现]称为裂纹固定的现象是造成疲劳性抗性的原因。
Ji Liu，麻省理工学院机械工程系博士后研究助理
在将聚合物链随机排列的无定形水凝胶中，它不需要太多的能量即可损坏通过凝胶传播。但是，在水凝胶的对齐纤维中，垂直于纤维的裂纹被“固定”到位并防止延长，因为它需要更多的能量才能通过对齐的纤维一个接一个地裂缝。
麻省理工学院机械工程系研究生林林
事实上，受过训练的水凝胶破坏了由湖泊理论预测的众所周知的疲劳阈值，该理论提出了裂缝一层无定形聚合物链所需的能量，例如构成PVA水凝胶的能量。赵和他的同事得出结论，受过训练的水凝胶的抗疲劳比该理论的抗疲劳多10到100倍。
这项研究得到了国家科学基金会，海军研究办公室和美国陆军研究办公室的部分支持，并通过麻省理工学院亚博老虎机网登录的士兵纳米技术研究所提供了支持。