本文介绍的研究由Shaoting Lin、Ji Liu、Xinyue Liu和Xuanhe Zhao共同完成，他们分别来自麻省理工学院机械工程系和土木与环境工程系。该研究于2019年5月21日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为“通过机械训练制备具有肌肉样抗疲劳性能的水凝胶”。这项研究的主要目标是开发一种具有高抗疲劳性、高强度、低杨氏模量和高含水量的合成水凝胶，以模拟骨骼肌的力学性能，从而为软生物材料在人工组织、软机器人等领域的应用提供新的可能性。

研究背景

骨骼肌具有高抗疲劳性（1000 J/m²）、高强度（1 MPa）、低杨氏模量（100 kPa）和高含水量（70-80 wt%）等组合特性，这些特性在合成水凝胶中尚未被同时实现。尽管已有多种分子和宏观工程方法尝试模拟生物肌肉的部分特性，但尚未有一种材料能够同时具备所有这些特性。例如，应变硬化水凝胶和瓶刷聚合物网络可以模拟J形应力-应变行为，但其断裂韧性仍远低于生物组织。此外，现有的抗疲劳水凝胶在长时间机械载荷下容易发生疲劳断裂，因为其抗疲劳裂纹扩展的阻力仅取决于断裂单层聚合物链所需的能量。

研究方法

本研究提出了一种通过机械训练（mechanical training）在合成水凝胶中实现骨骼肌样组合特性的策略。研究以聚乙烯醇（PVA）水凝胶为模型材料，通过冷冻-解冻循环和机械拉伸训练，成功模拟了骨骼肌中的纳米纤维排列结构。具体步骤如下：

1. 冷冻-解冻循环：将10 wt%的PVA溶液在-20°C下冷冻8小时，然后在25°C下解冻3小时，重复五次以形成物理交联的纳米纤维网络。
2. 机械训练：将冷冻-解冻后的水凝胶在水中进行重复的预拉伸训练，模拟骨骼肌的锻炼过程。通过这种训练，水凝胶中的纳米纤维逐渐排列成与拉伸方向一致的结构。
3. 微观结构表征：使用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术观察水凝胶中纳米纤维的排列情况。
4. 力学性能测试：通过拉伸实验和疲劳测试，测量水凝胶的杨氏模量、抗拉强度和疲劳阈值。

研究结果

通过机械训练，PVA水凝胶表现出极高的抗疲劳阈值（1250 J/m²）和抗拉强度（5.2 MPa），同时保持了高含水量（84 wt%）和低杨氏模量（200 kPa），达到了与骨骼肌相似的组合性能。共聚焦显微镜和X射线散射实验揭示了水凝胶的抗疲劳机制：排列的纳米纤维通过裂纹钉扎（crack pinning）机制显著提高了水凝胶的抗疲劳性能。此外，研究还发现，水凝胶的低杨氏模量归因于聚合物链的拉伸、纳米晶域的取向以及纳米纤维在拉伸过程中的滑动。

结论

本研究通过机械训练成功开发了一种具有骨骼肌样组合性能的合成水凝胶。这种水凝胶不仅具有高抗疲劳性和高强度，还保持了高含水量和低杨氏模量，适用于多种生物医学应用，如人工组织、软机器人等。此外，研究还展示了通过3D打印和机械训练制备各向同性增强的水凝胶微结构的潜力，进一步拓展了其应用范围。

研究亮点

1. 创新性方法：通过机械训练实现了水凝胶中纳米纤维的排列，模拟了骨骼肌的纳米纤维结构。
2. 组合性能：首次在单一材料中同时实现了高抗疲劳性、高强度、低杨氏模量和高含水量。
3. 应用前景：该水凝胶在人工组织、软机器人等领域具有广泛的应用潜力。

其他有价值的内容

研究还探讨了水凝胶在3D打印中的应用，展示了通过3D打印和机械训练制备各向同性增强的水凝胶微结构的可能性。这种微结构在软机器人、人工组织等领域具有重要的应用价值。

这项研究为开发具有生物组织样力学性能的合成水凝胶提供了新的思路和方法，具有重要的科学和应用价值。