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抗疲劳水凝胶的设计与应用

水凝胶,疲劳,仿生

水凝胶是由水分子和聚合物网络构成的两相材料，由于具有优良的生物相容性和激励响应特性，水凝胶在众多前沿领域展示出重要的研究价值。近年来水凝胶的疲劳断裂成为软物质力学的一个新的研究方向，许多重要的水凝胶体系--单网络水凝胶、双网络水凝胶、PAAm-Alginate水凝胶、自恢复水凝胶--的疲劳行为都得到了实验表征。研究人员发现几乎所有韧性水凝胶的疲劳门槛值远低于其断裂韧性。因此，抗疲劳水凝胶的设计成为亟需解决的关键科学问题。有研究表明PVA水凝胶的疲劳门槛值较高，但是PVA特殊的结晶结构不适用于多数水凝胶体系。我们利用软硬相复合的抗疲劳力学原理以及数字光固化打印技术，设计了复合水凝胶，实现了400J/m²的高疲劳门槛值以及媲美生物组织的复杂形状。进一步地，采用抗疲劳水凝胶制备了仿心脏瓣膜结构，该结构在5万次循环的水流动力学压力下没有发生破坏。相反，普通水凝胶结构仅仅在560次循环下就发生了破坏。此类兼具复杂形状和高疲劳门槛值的新材料将为水凝胶的生物医学应用提供广阔的前景。