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電子科大崔家喜教授團(tuán)隊(duì)/武漢理工羅國強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.: 肌肉生長(zhǎng)過程啟示的各向異性自生長(zhǎng)水凝膠
2025-03-19  來源:高分子科技

  肌肉組織是人體最堅(jiān)韌的各向異性組織之一;其優(yōu)異的力學(xué)性能來源于其獨(dú)特的多層級(jí)纖維結(jié)構(gòu)。這些多層次纖維結(jié)構(gòu)的形成包含了兩個(gè)基本的生命過程:i) 外界營養(yǎng)成分的攝取、轉(zhuǎn)換; ii) 機(jī)械訓(xùn)練將攝取的外界營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為纖維結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)增韌肌肉組織。此外,肌肉組織生長(zhǎng)過程中,纖維結(jié)構(gòu)會(huì)先損失、斷裂;在吸收外界營養(yǎng)及訓(xùn)練之后變粗、重構(gòu),使得肌肉變大變粗,增強(qiáng)其承重能力。受此生長(zhǎng)過程啟發(fā),研究人員已經(jīng)開發(fā)了機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)的纖維結(jié)構(gòu)原位生成的水凝膠及力誘導(dǎo)的自生長(zhǎng)水凝膠。這些水凝膠在經(jīng)過機(jī)械訓(xùn)練后,力學(xué)性能都能夠增強(qiáng);但是在這些水凝膠中,力的作用主要是在各項(xiàng)同性水凝膠中原位生成纖維結(jié)構(gòu)(機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變)、或者是用于誘導(dǎo)聚合反應(yīng)(模仿肌肉的基質(zhì)生長(zhǎng));目前仿肌肉生長(zhǎng)的策略仍然難以完美復(fù)制肌肉的生長(zhǎng)過程,即基質(zhì)生長(zhǎng)和機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。



  受此啟發(fā),電子科技大學(xué)崔家喜教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢理工大學(xué)羅國強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種機(jī)械訓(xùn)練耦合的自生長(zhǎng)策略,從而完美地模擬了肌肉的生長(zhǎng)過程,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各向異性水凝膠尺寸變大和力學(xué)性能的增強(qiáng)。



  相關(guān)工作近日以“Muscle-Inspired Self-Growing Anisotropic Hydrogels with Mechanical Training-Promoting Mechanical Properties”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》。武漢理工大學(xué)碩士研究生夏雨龍為論文的第一作者,電子科技大學(xué)崔家喜教授和武漢理工大學(xué)羅國強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)周小狀研究員為論文的共同通訊作者。


  具體而言,本文利用一種機(jī)械訓(xùn)練耦合的自生長(zhǎng)策略,制備了具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)韌各向異性水凝膠。以聚乙烯醇(PVA)/單寧酸(TA)制備的各向異性超分子水凝膠為例來進(jìn)行說明(圖1),對(duì)其進(jìn)行基質(zhì)生長(zhǎng)和機(jī)械訓(xùn)練(一個(gè)生長(zhǎng)周期);|(zhì)生長(zhǎng)包括四個(gè)步驟:營養(yǎng)物(聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、光引發(fā)劑以及二甲基亞砜(DMSO)中的混合溶液)的溶脹、PEGDA的聚合、水交換和PVA/TA超分子網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。在生長(zhǎng)過程中,各向異性An-PVA/TA水凝膠中的纖維結(jié)構(gòu)被分解,形成各向同性水凝膠。隨后的機(jī)械訓(xùn)練對(duì)誘導(dǎo)聚合物網(wǎng)絡(luò)重排,生成具有各向異性結(jié)構(gòu)的水凝膠,完成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。完成一個(gè)生長(zhǎng)周期之后,可進(jìn)行下一個(gè)生長(zhǎng)周期,如此往復(fù),可增加材料的尺寸(約2倍)、增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能(楊氏模量:從2.4 MPa到2.85 MPa;極限抗拉強(qiáng)度:從8.2 MPa到14.1 MPa;韌性:從335 MJ/m3到465 MJ/m3


圖1.各向異性堅(jiān)韌水凝膠的機(jī)械訓(xùn)練相關(guān)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)。圖片來源Adv. Mater.


  隨后,對(duì)各向異性水凝膠基質(zhì)生長(zhǎng)過程中尺寸、微觀結(jié)構(gòu)及組分進(jìn)行了系統(tǒng)研究(圖2)。并且利用掃描顯微鏡(SEM)和小角SAXS對(duì)機(jī)械誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明:各向異性水凝膠(An-PVA/TA)在基質(zhì)生長(zhǎng)和機(jī)械誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變之后,尺寸增加的同時(shí)可保持各向異性結(jié)構(gòu)。但是生長(zhǎng)訓(xùn)練后水凝膠(An-PVA-PEGDA)的纖維結(jié)構(gòu)和An-PVA/TA又有所不同。


圖2.自生長(zhǎng)各向異性水凝膠。圖片來源Adv. Mater.


  接著本文進(jìn)一步探討了機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制,追蹤了不同訓(xùn)練次數(shù)下水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。SAXS結(jié)果表明,水凝膠內(nèi)部的取向結(jié)構(gòu)隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加而變得更加顯著(圖3)。隨后,本論文進(jìn)一步的研究了生長(zhǎng)過程和機(jī)械訓(xùn)練過程對(duì)An-PVA/TA水凝膠的聚集狀態(tài)及力學(xué)性能的研究,并討論了其影響機(jī)制(圖3)。建立了水凝膠微觀結(jié)構(gòu)、韌性以及斷裂韌性的相關(guān)關(guān)系(圖4),對(duì)比了本論文制備的An-PVA/PEGDA水凝膠與當(dāng)前的韌性水凝膠(例如雙網(wǎng)絡(luò)、微相分離水凝膠及定向鑄造及鹽析水凝膠)的最大抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性。


圖3.自生長(zhǎng)各向異性水凝膠的結(jié)構(gòu)演化和力學(xué)性能。圖片來源Adv. Mater.


  最后評(píng)估了水凝膠的能量耗散能力及其在沖擊防護(hù)中的應(yīng)用。結(jié)果表明:機(jī)械訓(xùn)練后的水凝膠在低應(yīng)變條件下的能量耗散效率可達(dá)90%。由于其良好的能量耗散效率,水凝膠可有效抵抗靜態(tài)力以及動(dòng)態(tài)力的沖擊。將水凝膠粘貼在充氣氣球表面做防護(hù)材料時(shí),氣球在受到尖銳針頭沖擊時(shí),仍可保持充氣狀態(tài)而不破損(圖4)。這也驗(yàn)證了水凝膠在防護(hù)材料中的潛在應(yīng)用,顯示出良好的抗沖擊能力。


圖4.水凝膠的超高耗能能力的評(píng)價(jià)和應(yīng)用示范。圖片來源Adv. Mater.


  該工作受到了國家重點(diǎn)研究計(jì)劃(2021YFB3802300)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(2021B0301030001)、聯(lián)合基金(8091B022108)以及國家自然科學(xué)基金(52403153, 55203169, 52171045).)的支持。特別感謝蘇州大學(xué)吳書旺教授在此研究過程中參與的討論及幫助。


  論文相關(guān)鏈接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416744 


通訊作者簡(jiǎn)介

  崔家喜博士簡(jiǎn)介:電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院教授。2008年博士畢業(yè)于北京大學(xué),先后在北京大學(xué)、德國馬普 高分子所、哈佛大學(xué)國內(nèi)外知名高;蚩蒲袡C(jī)構(gòu)從事功能高分子材料方面的研究工作,2015德國萊布尼茨新材料所研究員,獨(dú)立課題組PI;2017年起電子科技大學(xué)教授。


  研究領(lǐng)域?yàn)榉律鷦?dòng)態(tài)軟材料的研究,在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表SCI論文100多篇,包括Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.等。獲國內(nèi)外授權(quán)發(fā)明專利10多項(xiàng),編寫英文專著(章節(jié))2部。研究成果多次受到國內(nèi)外專家和各科學(xué)媒體(Wiley, ChemView, MRS, Phys 等)以及電視臺(tái)的競(jìng)相報(bào)道與高度評(píng)價(jià)。其中新型超滑表面涂層以及冬暖夏冷涂層系列研究工作不僅是學(xué)術(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)性和引領(lǐng)性的工作,而且也受到的商業(yè)界的關(guān)注。獲國家特聘青年人才資助、四川學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人等。

  https://www.x-mol.com/groups/cui_jiaxi


  羅國強(qiáng)教授簡(jiǎn)介:武漢理工大學(xué)材料學(xué)院院長(zhǎng),重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席專家、國防卓青。主要研究方向?yàn)椋合冗M(jìn)功能復(fù)合材料以及功能梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備新技術(shù)、結(jié)構(gòu)控制、性能及應(yīng)用研究。重點(diǎn)為在功能梯度設(shè)計(jì)與仿真,微發(fā)泡技術(shù)、薄帶流延成型技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、擴(kuò)散鏈接技術(shù)等梯度復(fù)合新技術(shù)、以及材料結(jié)構(gòu)與性能表征等方面取得了一系列突出成果。在國內(nèi)外重要期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇,申請(qǐng)國家發(fā)明專利20余項(xiàng),獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等各類省部級(jí)以上科研獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)。


  羅國強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)常年招生先進(jìn)復(fù)合材料、功能材料、無機(jī)非金屬材料等方向的博士后,團(tuán)隊(duì)承諾為博士后提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的薪資和平臺(tái),歡迎咨詢。
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