锻炼使水凝胶进行更喜欢肌肉



人类骨骼肌有材料研究人员寻求自己的创作性的独特组合。他们强,柔软,丰满的水,能抗疲劳。由bt365手机的研究人员最新研究发现,给予合成凝胶特性的这个总包的一种方法:把他们通过锻炼身体。

机械训练的人工肌肉抵抗使用对准纳米纤丝,类似的耐疲劳机制如在骨架肌肉损伤(裂纹)传播。图片:鸡柳,少汀林和刘新月

特别是,科学家通过机械在水浴中拉伸他们培养出来的水凝胶。而刚刚与骨骼肌,在“健身”的代表还清。水凝胶内的训练对准的纳米纤维,以产生抵抗超过数千重复动作的故障或疲劳一个强有力的,柔软和水合材料。

聚乙烯醇(PVA)在实验中训练的水凝胶是众所周知的生物材料,研究人员使用的医疗植入物,药物涂层,以及其他应用程序,称宣赵,机械工程bt365手机的副教授。 “但一个与这四个重要的属性还没有被设计或迄今为止制造的。”

在他们的论文,在本周公布 科学的美国国家科学院院刊,昭和他的同事描述了如何水凝胶也可以是3-d印刷成各种可被训练来发展肌肉样性质的套件形状。

在未来,材料可能在植入物使用,如“心脏瓣膜,软骨替换,椎间盘,以及在工程应用中,如软机器人,”赵说。

在纸张和bt365手机其它作者包括研究生少汀麟,博士后鸡柳,和研究生荀悦刘钊的实验室。

强度和更多的培训

优秀的承重天然组织如肌肉和心脏瓣膜是一个bioinspiration到材料研究人员,但一直非常具有挑战性的设计,能同时捕捉他们的所有特性的材料,赵说。

例如,可以设计出具有高度一致的纤维给它力量的水凝胶,但它可能不会像肌肉一样灵活,也可能没有水分,使得它在人类使用的兼容。 “大多数在人体组织中含有大约70%的水,所以如果我们想要在体内植入生物材料,含水量较高,更希望在身体的许多应用中,”赵说。

该机械训练可以产生肌肉般的水凝胶的发现是意外的事说林的主要作者, PNAS 研究。该研究小组已经进行的凝胶循环加载试验,试图找到疲劳点的水凝胶会开始分解。他们很惊讶,而不是找到了循环训练实际上是加强了水凝胶。

“加强循环载荷后的水凝胶的现象是违反直觉上在水凝胶疲劳断裂的当前理解,但股与肌肉强化训练后的机构的相似性,”林说。

训练前,组成水凝胶的纳米纤维随机取向。 “在训练过程中,我们所意识到的是,我们正在对准纳米纤维,”林补充说,对齐类似于会发生什么变化下重复锻炼一个人的肌肉。此训练取得的水凝胶更强和耐疲劳。四个关键属性的组合约1000拉伸周期后出现,但一些水凝胶被拉伸超过30,000循环,而不会打破。经训练的水凝胶的抗张强度,在对齐的纤维的方向,在所述未拉伸的水凝胶增加了约4.3倍。

同时,水凝胶表现出柔软的灵活性,并保持84%的高水含量,研究人员发现。

抗疲劳因子

科学家们转向了共聚焦显微镜采取在训练的水凝胶仔细看看,看看他们是否能发现其背后令人印象深刻的抗疲劳性能的原因。 “我们把这些经过千百载的周期,那么,为什么不失败?”林说。 “我们所做的就是让一个切口垂直于这些纳米纤维,并试图在传播这种材料的裂纹或损坏。”

“我们染色,在显微镜下的纤维,看他们如何变形,切割的结果,[发现]这种现象称为裂纹钉扎负责抗疲劳性,”ジ说。

“在无定形水凝胶,其中所述聚合物链随机排列,它并不需要过多的能量用于损伤通过凝胶扩散,”林补充道。 “但在水凝胶的排列的纤维,在垂直于纤维的裂纹代替‘固定’和从延长防止,因为它需要更多的能量穿过对齐的纤维逐个断裂。”

事实上,经训练的水凝胶破著名疲劳阈值,由所述被预测 湖 - 托马斯理论,其提出断裂无定形聚合物链,如那些构成PVA水凝胶的单层所需的能量。经训练的水凝胶是10至100倍的耐疲劳比由理论,赵预测和他的同事们的结论。

该研究是支持的,部分由美国国家科学基金会,海军研究办公室和美国。通过在bt365手机士兵纳米技术的军队研究办公室。