受承重組織驚人的機(jī)械性能的啟發(fā),許多人致力于研究能夠在密集的機(jī)械負(fù)荷下發(fā)揮作用的水凝膠,用于肌肉骨骼修復(fù)、軟骨再生和軟體機(jī)器人建造等應(yīng)用。用于增韌水凝膠的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則是利用犧牲鍵/網(wǎng)絡(luò)來耗散能量,這可能依賴于疏水相互作用、離子對(duì)、氫鍵、配位相互作用、客體相互作用和微晶。盡管這些分子工程方法能增強(qiáng)水凝膠的韌性,但往往不能加強(qiáng)水凝膠的強(qiáng)度,因?yàn)樗z和韌性是相互排斥的。然而,要在同一合成水凝膠中實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性、強(qiáng)大的抗疲勞性和快速恢復(fù),仍然具有挑戰(zhàn)性。
在此,南京大學(xué)曹毅教授/王煒教授等人受生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā),提出了一種由Picot纖維組成的分層結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由通過靈活的隱藏長(zhǎng)度相互連接的自組裝金屬離子包肽β-鏈組成。通過交聯(lián)這些纖維,所得水凝膠表現(xiàn)出高機(jī)械強(qiáng)度(斷裂應(yīng)力~4.1MPa)、超高韌性(斷裂能~25.3kJm?2)、出色的抗疲勞性(疲勞閾值~424Jm?2),以及一秒鐘內(nèi)幾乎100%的機(jī)械恢復(fù)。這種設(shè)計(jì)提供了在合成水凝膠中結(jié)合通常不相容的機(jī)械性能的一般途徑。該研究以題為“Strong,tough,rapid-recovery,andfatigue-resistanthydrogelsmadeofPicotpeptidefibres”的論文發(fā)表在《NatureCommunications》上。
該研究介紹了利用自組裝的Picot多肽纖維作為構(gòu)建塊來設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞和快速機(jī)械恢復(fù)的水凝膠。在這種設(shè)計(jì)中,隱藏的長(zhǎng)度被嵌入到多肽纖維中,而不是由額外的未交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供,這解決了聚合物網(wǎng)絡(luò)中常見的剛性和韌性之間的權(quán)衡。此外,包覆金屬離子的自組裝肽纖維由于自組裝結(jié)構(gòu)中的協(xié)同作用,在力學(xué)上穩(wěn)定,但重組迅速。該研究強(qiáng)調(diào)了在分子水平上定制水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)未知的機(jī)械性能的重要性。通過使用不同的自組裝肽或合成基序來進(jìn)一步提高力學(xué)性能是可能的。預(yù)測(cè)這項(xiàng)研究中展示的工程化水凝膠可能會(huì)在組織工程支架、可伸展傳感器和軟機(jī)器人組件中得到廣泛應(yīng)用。
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