北海道大学龚剑萍教授课题组《Sci. Adv.》：循环拉伸下多尺度结构对自修复水凝胶机械适应性的影响

2024-01-03 来源：高分子科技

具有机械适应性的软材料在组织工程、生物传感、软体机器人等领域中具有非常重要的应用前景。深入了解软材料在循环拉伸条件下的结构演变和动态适应性有助于开发具有机械适应性的新材料。

为此，北海道大学龚剑萍教授课题组近期开展了循环拉伸训练中多尺度结构对自修复水凝胶的机械适应性的效果的研究。他们以由一种阴离子单体和一种阳离子单体无规共聚的聚两性电解质水凝胶为模型。这种聚两性电解质水凝胶由~0.1 nm尺度的离子键、~1 nm尺度的瞬态网络、~10 nm尺度的高分子网络以及~100 nm尺度的双连续硬/软相分离网络等多尺度结构组成。在此工作中，他们结合机械往复训练、粘弹模型拟合和循环加载疲劳测试，首次揭示了软物质材料在循环加载模式下具备类似于生物组织般的有效机械训练、过度机械训练和致命性过度训练的条件：（i）在λ_tr < λ_affine条件下机械训练时，硬、软相分离网络保持完整，瞬态网络和相分离网络在循环加载下取向重排，该取向结构增强了聚两性电解质水凝胶的疲劳抵抗；（ii）在λ_tr > λ_affine机械训练时，硬相结构在循环加载中破坏逐步累积，极大程度地减弱了聚两性电解质水凝胶的疲劳抵抗，发生了过度训练。轻度的过度训练可以在水凝胶长时间休息后完全恢复。然而，当机械训练在λ_tr >> λ_affine条件时，聚两性电解质水凝胶产生了致命性过度训练，可能由于在训练过程中有一定程度的高分子主链断裂，导致在长时间休息后机械性能难以完全恢复到初始态。此外，他们也进一步揭示了介观尺度的硬/软相分离网络主导了机械训练的长程记忆效应，并使聚两性电解质水凝胶在机械训练过程中顺应性变化表现为非对称动力学行为，而水凝胶形状演变表现为对称动力学行为。该工作为机械自适应性软材料的多尺度结构设计提供了新启示，近期以“Role of hierarchy structure on the mechanical adaptation of self-healing hydrogels under cyclic stretching”为题发表在Science Advances上，第一作者为李薛宇助理教授，通讯作者为龚剑萍教授。

图1. 聚两性电解质水凝胶的多尺度结构及其在机械训练中的动态适应示意图。

图2. 强相分离的聚两性电解质水凝胶s-PA机械训练过程及双连续相分离网络的结构演变。

表1. 强相分离的聚两性电解质水凝胶s-PA、弱相分离的聚两性电解质水凝胶w-PA和非相分离的PPEA弹性体在单调和循环加载下的断裂拉伸比的对比。从表中可以看出，具有强相分离结构的聚两性电解质水凝胶的最大循环加载拉伸比是单轴拉伸断裂拉伸比的0.95倍左右，而弱相分离的聚两性电解质水凝胶以及不具有相分离结构的软材料的最大循环加载拉伸比仅为单轴拉伸断裂拉伸比的0.34倍左右。这说明双连续相分离结构在循环加载过程中抵抗缺陷扩展及材料断裂扮演了非常重要的角色。

图3. 强相分离的聚两性电解质水凝胶s-PA的顺应性表现为非对称动力学以及形状变化表现为对称动力学。

图4. 机械训练强度l_tr、训练持续时间N_tr和休息时间t_rest对疲劳抵抗的作用效果。从图中可以看出，当机械训练在λ_tr < λ_affine时，聚两性电解质水凝胶s-PA表现为有效机械训练；当机械训练在λ_tr > λ_affine时，聚两性电解质水凝胶s-PA表现为过度机械训练。当机械训练在λ_tr略大于λ_affine的条件下开展时，这种过度训练可以在休息足够长时间后完全恢复。而当机械训练在λ_tr远远大于λ_affine的条件下开展时，过度训练是致命的，长时间休息并不能使材料性能得到恢复。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6856

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻