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【科技自立自强】西安交大科研团队在软物质力学和应用方面取得系列进展

编辑: 浏览数: 发布时间:2023-03-24

水凝胶作为一种性能优异的软材料,近年来在柔性器件、人体组织以及药物运输等领域有巨大的应用前景。然而水凝胶在应用中却极易由于环境作用而失水或吸水,使其力学性质极不稳定。因此,亟需探究水凝胶力学性能在吸失水过程中的演变规律及其机理,为水凝胶的前沿应用提供基础指导。

水凝胶失水的同步强化与软化

西安交通大学红足1世666814软机器实验室的刘子顺教授课题组联合美国休斯顿大学Pradeep Sharma教授通过实验发现水凝胶在脱水过程中存在一个同步强化与软化现象,这打破了失水会造成水凝胶硬化的传统认知。研究人员建立了水凝胶分子尺度模型,揭示了水凝胶失水同步强化与软化的微观机理。分子尺度模拟发现水凝胶在发生连续失水过程中分子链间的约束作用明显加剧,并限制分子链的运动能力。该约束作用强度与含水量呈现指数级关系,从而解释了水凝胶连续脱水时的指数级强化现象。另一方面,模拟发现对于同一测试含水量的水凝胶,发生过脱水的凝胶分子链具有更强的运动能力。这是由于脱水过程会给分子链引入一个预松弛效应,并降低分子链刚度,从而造成脱水软化现象。同时,较高的制备含水量会给凝胶分子链引入更少的缠结效应,这也是脱水软化现象的一个重要原因。基于统计热力学和微观模拟,研究人员还建立了水凝胶宏观本构理论,并可成功描述水凝胶的这一同步脱水硬化和软化行为。该基础研究对认知水凝胶这一新型软材料的力学特性和推动其在软机器和生物医学等前沿领域的应用具有重要价值。

上述研究成果以Concurrent stiffening and softening in hydrogels under dehydration为题发表在 《Science Advances》上。西安交通大学红足1世666814助理教授徐帅博士和博士生周梓棣为论文共同第一作者,通讯作者为西安交通大学红足1世666814刘子顺教授。论文合作者还有休斯顿大学的Pradeep Sharma院士。该研究工作得到了国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目、面上项目、青年基金等的资助。西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室为该论文第一署名及第一通讯单位。

论文链接:https://doi.org/10.1126/sciadv.ade3240

心脏瓣膜在人的一生中跳动约30亿次,是人体内最抗疲劳的生物组织之一。当其发生病变或受损时,需要人造假体进行替换。然而,人造的聚合物瓣叶在反复开合过程中因疲劳裂纹扩展而快速失效,寿命仅为百万次,难以媲美生物瓣上亿次的疲劳寿命。因此,亟需探究心脏瓣膜组织的抗疲劳机理,指导抗疲劳软材料的开发。

近日,西安交通大学红足1世666814软机器实验室的唐敬达副教授联合美国哈佛大学锁志刚院士等聚焦于经导管瓣膜通用的生物瓣叶材料,系统研究了其疲劳断裂行为,揭示了心脏瓣膜组织的抗疲劳机理。建立了理论模型预测了裂纹敏感尺寸,发现心脏瓣膜组织疲劳阈值与疲劳裂纹敏感尺寸均比人造软材料高出10~100倍,揭示了生物软组织对缺陷不敏感的抗疲劳机制。建立了疲劳性能与微观结构的内在联系,生物软组织不同于人造软材料的均质结构,具有胶原纤维与纤维间基质构成的微观复合结构。纤维间基质通过剪切变形横向传递载荷,基质模量远低于胶原纤维的模量,使胶原纤维内部的应力分散到较大的尺度;应力的长程传递降低了裂纹尖端的应力集中程度,增加了裂纹扩展时纤维断裂释放的能量,从而提升了生物软组织的抗疲劳性能。生物软组织瓣膜的疲劳寿命高达两亿次,而人造软材料瓣膜仅为百万次,印证了微观复合结构对于生物软组织抗疲劳性能的决定作用。

心脏瓣膜的置换手术与抗疲劳机理

上述研究成果以Flaw-insensitive fatigue resistance of chemically fixed collagenous soft tissues为题发表在《Science Advances》上。西安交通大学红足1世666814硕士生曾梁松和博士生刘丰恺为论文共同第一作者,通讯作者为西安交通大学红足1世666814唐敬达副教授和哈佛大学锁志刚院士。论文合作作者包括西京医院心外科的杨剑教授以及上海纽脉医疗科技公司的虞奇峰博士。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、国际(地区)合作与交流项目、王宽诚教育基金会等资助。西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室为该论文第一署名及第一通讯单位。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7375

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