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  張拉整體結(jié)構(gòu)是一種在自然界和建筑設(shè)計(jì)中常見(jiàn)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(shì)在于其實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)重比和優(yōu)異的機(jī)械性能。通過(guò)維持整個(gè)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(shí)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(guò)水凝膠內(nèi)原位氨基酸晶體棒生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(guò)模擬生物系統(tǒng)的機(jī)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(guò)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(zhǎng)，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(jī)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(jī)械性能，解決了傳統(tǒng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)度、剛度和含水量之間的固有矛盾。同時(shí)，這種方法制備的水凝膠表現(xiàn)出獨(dú)特的雙模量機(jī)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(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(dòng)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(jī)械性能的分子動(dòng)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(jī)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(zhǎng)過(guò)程中自然地通過(guò)結(jié)構(gòu)演變引發(fā)機(jī)械性能的突變。通過(guò)SEM圖像等實(shí)驗(yàn)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(cè)定實(shí)驗(yàn)則直接表明了由于晶體生長(zhǎng)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(shí)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(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步揭示了機(jī)械化學(xué)相互作用如何驅(qū)動(dòng)張拉整體結(jié)構(gòu)的形成。

  與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)或雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等方法相比，該方法結(jié)合了機(jī)械化學(xué)控制與分層自組裝，提供了一種在機(jī)械加載時(shí)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(jī)器人等需要同時(shí)具備機(jī)械穩(wěn)定性和高含水量的應(yīng)用場(chǎng)景。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58956-3