日本北海道大学龚剑萍团队开发出自我生长后可变更强的凝胶材料

中研股份2019年2月13日讯  北海道大学龚剑萍教授研究团队开发了一种采用“双网水凝胶”的策略,模仿骨骼肌的构建过程。

北海道大学龚剑萍教授团队研究人员开发出一种策略来制造材料,这些材料在模仿骨骼肌生长的机械压力下变得更强。他们的研究结果发表在《科学》杂志上,可以为长效材料铺平道路,这种材料可以根据周围环境进行调整和加强。

该策略的灵感来自使人类骨骼肌变得更强壮的过程。例如,在健身房进行力量训练后,肌肉纤维会分解,从而促进新的,更强壮的纤维的形成。要做到这一点,肌肉必须提供氨基酸,蛋白质的构建块,它们连接在一起形成肌肉纤维。

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双网水凝胶是一种柔软但坚韧的材料,由约85%(重量)的水和两种类型的聚合物网络组成:一种是刚性和脆性,另一种是柔软和可拉伸的。

研究小组将一种双网络水凝胶放入含有分子的溶液中,这些分子称为单体,可以连接形成称为聚合物的较大化合物。该解决方案模拟了携带氨基酸的血液循环到骨骼肌的作用。

对水凝胶施加拉伸力(拉伸)会使其一些刚性和脆性聚合物链断裂。这导致在破碎的聚合物链的末端产生称为“mechanoradicals”的化学物质。这些机械装置可以触发从周围溶液吸收到水凝胶中的单体与聚合物网络的连接,从而强化材料。

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随着连续拉伸,更多的分解和积聚发生,类似于进行力量训练的骨骼肌。通过这一过程,水凝胶的强度和刚度分别提高了1.5倍和23倍,聚合物的重量增加了86%。该团队还能够通过使用改变凝胶对热的反应的特定单体来定制材料对机械力的响应;在高温下加热,凝胶表面变得更耐水。

研究人员表示,他们的工作可以帮助开发自我生长的凝胶材料,用于骨骼损伤患者的灵活外科手术;这些套装在使用得越多就越有可能变得越来越强大。龚教授解释说:“由于许多类型的DN凝胶具有相似的机械特性,因此该工艺可应用于各种凝胶,扩大了潜在应用范围。”

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