張拉整體結(jié)構(gòu)是一種在自然界和建筑設(shè)計中常見的精巧結(jié)構(gòu)。它們由剛性的、承受壓縮的組件和連續(xù)的張力網(wǎng)絡(luò)交織而成。張拉整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其實現(xiàn)了高強重比和優(yōu)異的機械性能。通過維持整個網(wǎng)絡(luò)中張力的連續(xù)分布，張拉整體結(jié)構(gòu)能夠有效分散外力并降低局部應(yīng)力集中，從而實現(xiàn)高剛度和韌性。此外，張拉整體結(jié)構(gòu)具有雙模量特性，這即在同一力軸線上，其拉伸方向的剛度顯著高于壓縮方向。
圖1通過水凝膠內(nèi)原位氨基酸晶體棒生長構(gòu)建張拉整體結(jié)構(gòu)的原理示意圖。
近期，南京大學(xué)曹毅/王煒/薛斌團隊聯(lián)合北海道大學(xué)龔劍萍教授，受到細(xì)胞內(nèi)張拉整體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過模擬生物系統(tǒng)的機械化學(xué)原理，成功將張拉整體結(jié)構(gòu)整合到水凝膠中。作者通過酶促反應(yīng)誘導(dǎo)氨基酸晶體在聚合物網(wǎng)絡(luò)中自然生長，使水凝膠內(nèi)部形成氨基酸晶體棒與加載了預(yù)應(yīng)力的聚合物網(wǎng)絡(luò)機械互鎖的張拉整體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在不顯著犧牲高含水量的情況下顯著提高了水凝膠的機械性能，解決了傳統(tǒng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中強度、剛度和含水量之間的固有矛盾。同時，這種方法制備的水凝膠表現(xiàn)出獨特的雙模量機械響應(yīng)，其拉伸與壓縮楊氏模量比高達(dá)13，為組織工程等領(lǐng)域仿生材料的開發(fā)提供了全新思路和策略。該工作以“Hydrogels with prestressed tensegrity structures”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。通訊作者為南京大學(xué)曹毅教授、王煒教授、薛斌副教授和日本北海道大學(xué)龔劍萍教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃和江蘇省自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖2 酪氨酸晶體及具有張拉整體結(jié)構(gòu)水凝膠（TG水凝膠）的表征。
圖3 TG水凝膠內(nèi)聚合物網(wǎng)絡(luò)中預(yù)應(yīng)力的表征。
圖4 TG水凝膠的力學(xué)性質(zhì)表征。
圖5 TG水凝膠內(nèi)張拉整體結(jié)構(gòu)的形成動力學(xué)。
圖6 TG水凝膠內(nèi)部張拉整體結(jié)構(gòu)的形成以及凝膠機械性能的分子動力學(xué)模擬。
參考生物系統(tǒng)中細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)，作者提出了一種結(jié)合化學(xué)合成與機械工程的方法，利用高剛度的棒狀氨基酸晶體組件和柔性聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)協(xié)同構(gòu)成張拉整體結(jié)構(gòu)。具體而言，水凝膠內(nèi)部的晶體在原位生長過程中自然地通過結(jié)構(gòu)演變引發(fā)機械性能的突變。通過SEM圖像等實驗證據(jù)，可以觀察到水凝膠內(nèi)部互鎖晶體結(jié)構(gòu)的形成；熒光測定實驗則直接表明了由于晶體生長引起的內(nèi)部張力的變化。張拉整體結(jié)構(gòu)的存在使凝膠實現(xiàn)了約30 MPa的拉伸楊氏模量，并表現(xiàn)出顯著的雙模量特性。分子動力學(xué)模擬進一步揭示了機械化學(xué)相互作用如何驅(qū)動張拉整體結(jié)構(gòu)的形成。
與傳統(tǒng)的纖維增強或雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等方法相比，該方法結(jié)合了機械化學(xué)控制與分層自組裝，提供了一種在機械加載時立即轉(zhuǎn)移應(yīng)力的有效手段，使材料即使在顯著應(yīng)變下也能保持結(jié)構(gòu)完整性。該研究為定制高性能且高含水量的仿生水凝膠鋪平了道路，適用于組織工程和軟機器人等需要同時具備機械穩(wěn)定性和高含水量的應(yīng)用場景。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58956-3
