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2020年7月杂志俱乐部:抗疲劳水凝胶:原理,实验和应用
抗疲劳水凝胶:原理、实验和应用
林少廷,赵玄和
1.介绍
水凝胶在设备和机器中的使用要求它们在循环机械载荷下保持稳健性[1,2].在单次机械载荷下,水凝胶很难抵抗裂纹扩展[3,4]。.一般来说,水凝胶的增韧是通过整合机械能量耗散机制来实现的,如短聚合物链的断裂和可逆交联形成拉伸的聚合物网络[5,6]。.
图1所示。疲劳阈值A),弹性体和水凝胶的传统聚合物网络和B),具有内在高能量相的生物水凝胶,如纳米晶体结构域和纳米纤维。
尽管韧性水凝胶的研究取得了进展,但现有的韧性水凝胶在机械载荷的多次循环作用下会出现疲劳断裂唐、白、索等(7 - 9).(请参阅2019年5月《水凝胶疲劳俱乐部》,白若冰详情)。他们的实验结果得出结论,在长时间的载荷循环后,抗疲劳裂纹扩展的能量是断裂单层聚合物链所需的能量(即水凝胶的固有断裂能量)(图1A),它不受韧性水凝胶中引入的附加耗散机制的影响。这些发现让人想起弹性体疲劳,自1958年以来,Lake、Thomas和Lindley对弹性体疲劳进行了深入研究[10-12]。.
遵循经典的Lake-Thomas理论[10],具有常规聚合物网络的水凝胶的抗疲劳性能可通过
在哪里n*√N)*b/(λ)^ 2单位面积的聚合物链数与n被在干燥状态下,单位体积内活性聚合物链的数量密度,N被每条聚合物链上的库恩单体数目;b作为长度每个库恩单体,和λ年代由于聚合物链的膨胀拉伸,N*佛罗里达大学断裂聚合物链需要多少能量佛罗里达大学是断裂单个库恩单体所需的能量。对于具有常规网络的水凝胶,这些参数的合理范围为n ~10 ^ 25-10 ^ 26 m3,N~ 100 - 1000,b~ 0.3 nm,λ年代~ 2 - 10,佛罗里达大学~10^6 J/mol[8,13 -16]。通过将这些参数值代入式(1),我们可以评估出具有常规聚合物网络的水凝胶的典型抗疲劳范围为1-100 J/m^2,远低于韧性水凝胶的1,000 J/m^数量级的断裂能2[5]。抗疲劳断裂水凝胶的设计策略一直是水凝胶在设备和机器中的长期应用的关键需求和核心挑战。
与合成水凝胶相比,软骨、肌腱、肌肉和心脏瓣膜等生物组织表现出非凡的抗疲劳性能。生物组织的抗疲劳特性可能是由于组织中胶原纤维固有的高度有序和部分结晶结构。例如,肌腱、韧带和软骨与骨骼的粘连通常是通过过渡界面实现的(图1B),从未钙化的胶原纳米原纤维(i)到钙化的胶原纳米原纤维(ii)到骨骼(iii)。在界面(ii)上,排列整齐的胶原纳米原纤维和有序的羟基磷灰石纳米晶体的纳米结构复合材料被锚定在骨骼上,导致肌腱、韧带和软骨与骨骼的抗疲劳粘连(17、18).人体膝关节的软骨-骨界面可以承受1 MPa的压应力,界面韧性约为800 J/m2,每年超过100万次加载。
借着这个期刊俱乐部的机会,我们想讨论i)抗疲劳水凝胶的设计原则,ii)水凝胶粘接剂界面疲劳症状,iii)抗疲劳水凝胶粘接剂的设计原则,iv)抗疲劳水凝胶和水凝胶粘接剂的应用。
2.含量水凝胶
为了解决常规水凝胶的疲劳失效问题,我们和其他人提出了抗疲劳水凝胶的一般设计原则:使疲劳裂纹被本质高能相钉住[19],如纳米晶体[20]微/纳米纤维[21]、宏纤维[22]在水凝胶。在接下来的内容中,我们将总结最近报道的实现设计原则的策略。
我们的实验发现首先表明,合成水凝胶中结晶度的增加可以大大提高其疲劳阈值,因为疲劳裂纹扩展需要破坏结晶域(图2A)。[20].断裂聚合物晶体域所需的单位面积能量远远高于断裂同一聚合物的单层非晶链所需的能量。为了验证这一假设,我们选择PVA作为结晶度可调的水凝胶模型。我们发现,结晶度的增加可以大大提高PVA水凝胶的疲劳阈值,这是由于相邻晶域之间的平均距离减小,晶域的平均尺寸增加。特别是当膨胀状态下PVA结晶度达到18.9 wt %时,疲劳阈值可超过1000 J/m2(图2A)。
晶畴的引入可以大大提高疲劳阈值,但会增加水凝胶的模量,降低水凝胶的含水量。因此,我们提出了另一种策略,通过机械训练来增强水凝胶的抗疲劳性,同时保持其低模量[21].该策略首先涉及在聚乙烯醇水凝胶中生长柔顺的纳米原纤维,通过反复的冷冻和解冻形成两个分离的相[23]:(1)由纳米晶域交联的纳米纤维形式的高浓度聚合物链;(2)低浓度的非晶态聚合物。具有随机分布的纳米原纤维的原始冻融水凝胶在水浴中反复预拉伸作为机械训练,以形成排列的纳米原纤维结构(图2B)。经过训练的PVA水凝胶沿排列的纳米原纤维测量的疲劳阈值达到创纪录的1,250 J/m2(图2B)。相比之下,垂直于排列的纳米原纤维的疲劳阈值为233 J/m2,与原始冻融PVA水凝胶(310 J/m2)的疲劳阈值相同,但仍然比化学交联的PVA水凝胶(10 J/m2)大得多。
图2抗疲劳水凝胶策略
最近,Wang和Suo等人。[22]报告了一种新的原理,通过在软基体中引入单向纤维来增强弹性体的抗疲劳性(图2C)。纤维或基体均具有较低的疲劳阈值。纤维与基体的结合表现出显著的高疲劳阈值,这是因为软基体将应力分散在纤维中。他们通过将聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体纤维嵌入到聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶基质中来演示该策略。在能量释放率为1290j /m2的条件下拉伸30000次,未观察到损伤。通过利用3D打印的能力,Tang和Suo等人将该原理进一步扩展到二维弹性体晶格中,在多个方向上达到了超过500 J/m2的疲劳阈值[24].
我们还想强调Li和Gong等人最近的工作。[25].在这项工作中,他们研究了具有分层结构的软材料的抗疲劳性能,并揭示了分层结构在往复运动下抑制裂纹扩展的机制(图2D)。以聚两性聚合物水凝胶(PA凝胶)为简单的模型体系,具有层次结构,通过不同尺度间的协同作用表现出较高的抗疲劳性能。特别是,他们发现10nm尺度的聚合物网络决定了裂纹扩展的能量释放率阈值G0,而100 nm尺度的双连续相网络显著地减缓了裂纹的发展,直到一个远高于G0的转变Gtran。这种理解可能有助于设计合成水凝胶,使其能够真正复制由精致的分层结构组成的承载生物组织。
3.抗疲劳水凝胶粘接剂
3.1水凝胶粘连界面疲劳症状
通过在固体表面上共价锚定坚韧的水凝胶聚合物链,水凝胶和工程材料之间实现了坚韧的粘附[26].当水凝胶在单次机械载荷下从固体中剥离时,压裂锚定聚合物链所需的能量和变形大块水凝胶所消耗的能量协同作用,使界面韧性超过1000 J/m2。我们最近表征了坚韧的水凝胶粘附在玻璃基板上的疲劳特性。如图3A-C所示,坚韧水凝胶粘附(PAAm-海藻酸盐)的界面疲劳阈值低至68 J/m2,与普通水凝胶粘附(PAA为9 J/m2, PAAm为32 J/m2)相似,与断裂一层非晶态聚合物链所需的能量(1-100 J/m2)相当。当坚韧的水凝胶黏附在5000次循环中受到200 J/m2的能量释放速率时,可以识别出界面黏附裂纹的大量扩展。
图3水凝胶黏附界面疲劳症状
同样,Ni和Li等人。[27]观察了水凝胶粘附生物组织的界面疲劳(图3D-E)。他们在三种荷载(例如,单调荷载、静力荷载和循环荷载)下进行了改良的拉剪试验。他们观察到循环过程中载荷-位移曲线的震荡和两种界面断裂现象:快速脱粘和界面疲劳断裂。他们进一步证实了坚韧的水凝胶-组织界面存在一个疲劳阈值(24.4 J/m2),低于这个阈值,界面就不受长时间循环变形的影响。
3.2抗疲劳水凝胶粘接剂的设计原则
我们最近提出了一种受生物启发的策略,通过在工程材料上锚定有序纳米结构(例如纳米晶畴)来实现合成水凝胶的抗疲劳粘附,因为有序纳米结构比相应的非晶聚合物链需要更高的疲劳裂纹扩展能量(图4A-B)。我们选择聚乙烯醇(PVA)水凝胶作为模型材料体系,它可以很容易地形成具有可调结晶度的纳米结构(例如,纳米晶体结构域和纳米原纤维)。通过干退火处理在固体衬底上锚定纳米晶畴,水凝胶和衬底之间具有显著的抗疲劳粘附性,界面疲劳阈值为700 J/m^2(图4C)。该方法适用于各种工程固体,包括玻璃、陶瓷、钛、铝、不锈钢,甚至PU和PDMS等弹性体(图4D)。为了了解界面上有序晶域的高界面疲劳阈值,我们进一步进行了全原子分子动力学(MD)模拟,以比较从纳米晶域中拔出PVA聚合物链(轮廓长度为30 nm)和断裂相同轮廓长度的非晶态PVA聚合物链所需的能量(图4E)。如图4F-G所示,拉出纳米晶-玻璃界面之间的PVA链所需的能量(~ 70000 kJ/mol, PVA - sio2)高于拉出独立纳米晶所需的能量(~ 50000 kJ/mol),这与我们在剥离试验中观察到的整体水凝胶破裂而非界面脱离相一致。因此,在界面和整体水凝胶内部引入纳米晶畴可以协同确保具有极高抗疲劳性的水凝胶-固体界面。
图4在界面处锚定有序纳米晶畴
卢、索等。[28]报道了一种设计抗疲劳水凝胶粘附的不同方法,通过使用一种特别简单的弹性耗散剂:长链聚合物(图5A)。作为概念验证,他们使用聚丙烯酰胺水凝胶通过拓扑纠缠将两片聚酯布粘在一起。实测的黏附疲劳阈值与链长平方根成线性关系,达到300 J/m2(图5B)。
图5长链聚合物作为弹性耗散体
4.应用程序
抗疲劳水凝胶为生物医学领域的应用开辟了许多机会。一个新生的领域水凝胶的机器迅速发展,这表明使用抗疲劳水凝胶来补充甚至取代许多基于刚性材料的传统机器的潜力[2].
4.1可消化胃保留装置
与生物体相互作用的设备通常由金属、硅、陶瓷和塑料制成。植入此类装置用于长期监测或治疗通常需要侵入性手术。水凝胶由于其优越的机械顺应性和生物相容性,为人机交互提供了新的机会。此外,口服给药,加上胃驻留,可以作为植入的非侵入性替代方案(图6A)。用水凝胶实现胃驻留需要水凝胶迅速膨胀,并随着时间的推移承受胃的机械力(图6B)。然而,在现有的水凝胶中,高溶胀比、高溶胀速度和长期稳健性并不能同时存在。
基于我们开发的抗疲劳水凝胶,我们发明了一种水凝胶装置,它可以作为标准大小的药丸被摄入,迅速膨胀成一个大的软球体,并在胃里反复的机械负荷下保持长达一个月的坚固性。水凝胶装置由高吸水性水凝胶颗粒组成,使设备能够快速吸收(而不是扩散)包裹在柔软且抗疲劳的水凝胶膜中,从而保持设备的长期坚固性。水凝胶装置可以作为标准尺寸的药丸(直径1-1.5 cm)摄入,快速吸水并膨胀(10分钟内体积可达100倍)成一个大的软球体(直径可达6 cm),视频1)(图6C),并在长时间的重复机械载荷下保持稳健性(在体外2周内超过26000次20 N力的循环)(图6D)。相比之下,我们表明,在测试的第一天,由普通坚韧水凝胶(即PAAm-agar)制成的水凝胶装置在8小时内降解。由于水凝胶包封膜的高抗疲劳性,我们成功地在大型猪模型中证明了水凝胶装置的胃潴留长达30天。这样一个平台可以带来许多社会影响,包括但不限于生物信号的长期测量(图6E),胃肠道疾病的可视化,诱导饱腹感以控制肥胖,以及延长药物输送时间。近期在这一领域的其他研究包括Liu, Giovanni, and Langer等人[29]。[30].
图6可摄取水凝胶丸作为胃保持装置
4.2生物医学植入物的坚固涂层
具有复杂形状的材料和器件可以暴露在重复的机械载荷下,这对其涂层材料的制造方法和长期坚固性提出了挑战。我们证明,抗疲劳的水凝胶粘附可以潜在地为这一挑战提供一个简单而通用的解决方案。我们首先展示了一组材料和器件,包括不锈钢弹簧、玻璃光纤、玻璃管和球孔金属接头,这些材料和器件表面涂有抗疲劳水凝胶涂层(图7A)。薄(~20 μm)、均匀的水凝胶涂层适用于各种特征尺寸(200 μm ~ 35mm)、曲率(凸面、凹面、内外面)和各种材料(玻璃、不锈钢、硅弹性体)的器件。我们进一步采用平球滑动测试来评估不锈钢表面抗疲劳水凝胶涂层在循环机械载荷下的粘附、摩擦和磨损性能(图7B-C)。耐疲劳的水凝胶涂层在机械上保持坚固,并在往复运动5000多次后附着在基材上(视频2)。如图7D所示,抗疲劳水凝胶涂层的摩擦系数从0.006增加到0.02,并保持在0.02左右,直到试验结束(5000次循环)。相比之下,当循环次数从1增加到300时(压缩力为100 N时),裸金属表面的摩擦系数从0.045增加到高达0.3,之后保持不变。
图7生物医学植入物的坚固涂层
5.挑战与机遇
抗疲劳水凝胶领域面临着许多挑战和机遇。在实验力学、多尺度建模、材料合成、先进制造和转化科学领域的努力尤其受欢迎,以推动基础理解和转化应用。
实验力学。链条断裂探测的先进技术[31],测绘应力[32],并对拓扑缺陷进行量化[33]对于深入了解水凝胶的疲劳是非常可取的。
相关期刊俱乐部
2.2019年4月,自修复软材料:从理论建模到增材制造,王启明
建模。多尺度建模,说明仿生的层次和异质结构(34、35)可能会为下一代类组织水凝胶开辟一条新的道路。
化学。水凝胶的结构设计(如理想网状水凝胶)[36])为基础研究提供了模型材料系统。
转化的科学。最终目标是将对合成水凝胶的基本理解转化为转化应用。代表性的例子包括最近的湿组织粘合剂的工作[37].
相关期刊俱乐部:
1.2020年6月,机械指导生物材料:力学、材料和生物学的协同作用,李建宇
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评论
亲爱的Shaoting,
亲爱的Shaoting,
感谢分享你在水凝胶粘接疲劳方面的巨大进步和想法。向大自然学习总是一个明智的选择。高能相的概念很美妙。
我们也感谢你们把我们关于弹性耗散的工作包括在内。用这种方法提高的疲劳阈值没有你们建立的基准高。我们认为我们的方法的一个优点是水凝胶合成的简单性,这可能为水凝胶粘合剂添加更多的功能特性开辟更多的可能性。
我有一个问题。在高能相法和弹性耗散法中,水凝胶胶粘剂似乎都不处于完全膨胀状态。你认为它在组织环境中长期循环载荷下的应用有局限性吗?
最好的
Tongqing
我们将样品浸入水或PBS溶剂中
亲爱的传来,同庆
非常感谢你的友好话语和有见地的评论。我完全同意使用简单的方法来解决未解决的挑战将产生很大的影响。
关于我们疲劳测试的实验条件,我们实际上是将我们的样品浸泡在水或PBS溶剂中,在整个体水凝胶疲劳测试和界面疲劳测试中。保持水凝胶或水凝胶粘合剂处于完全膨胀状态对于水凝胶的疲劳表征至关重要,特别是考虑到水凝胶在应用中的工作条件。例如,在这里,我们也展示了在酸性环境和剧烈的动态负荷下,可摄取的水凝胶药丸在胃中完全肿胀状态下停留30天的应用。
最好的
Shaoting
亲爱的Shaoting,
亲爱的Shaoting,
为我的错误道歉。我刚想起你们抗疲劳水凝胶的含水量很低,所以我误以为水凝胶没有完全肿胀。
嗯,那么肿胀对你来说不是问题,而是我们方法的问题:)我们正在想办法解决这个问题。
最好的
Tongqing
不用担心
亲爱的传来,同庆
不用担心。低含水量是我们目前设计的水凝胶粘附的一个限制。我觉得你的长链聚合物链的方法显示了在增加抗疲劳性的同时保持高含水量的强度。
最好的
Shaoting
亲爱的Shaoting,
亲爱的Shaoting,
感谢您领导关于抗疲劳水凝胶和水凝胶粘附性的讨论。您的研究表明,在水凝胶或水凝胶-衬底界面的裂纹前沿的晶体域抑制了疲劳载荷下的裂纹扩展。对于天然橡胶,在载荷作用下也会在裂纹前缘结晶。但是为什么天然橡胶仍然会遭受疲劳断裂呢?你认为这两种材料有什么不同?
最好的
俊杰
不同性质的结晶
亲爱的俊杰,
这是个非常重要的问题。天然橡胶和聚乙烯醇水凝胶的结晶度有几个本质上的区别。
1、天然橡胶中的结晶度是由拉伸引起的,是可逆的,而PVA水凝胶中形成的结晶度是热力学稳定的。请参考Jingda, rubing和我之前的讨论。https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/22932.
2、由于拉伸诱导结晶的性质,晶域仅局限于产生大变形的裂纹尖端。这种局部晶域可能不足以抑制疲劳裂纹的扩展。人们用XRD显示了裂纹尖端周围的结晶度图,确认了其局部晶域。论文(S. Trabelsi, p.a.张国强,周国强,周国强,等。天然橡胶裂纹尖端的应力诱导结晶。大分子35, 10054-10061, 2002)。
3、此外,当延伸比为5时,天然橡胶的结晶度通常低于10%(图6)B. Huneau,天然橡胶的应变诱导结晶:x射线衍射研究综述。橡胶化学与工艺84中文信息学报,425-452,2011)。相比之下,对于我们报道的抗疲劳PVA水凝胶,其结晶度高达47%。
事实上,我也同意,深入了解疲劳特性与其分子结构之间的相关性需要未来的努力。
最好的
Shaoting
亲爱的Shaoting,
亲爱的Shaoting,
感谢您及时、全面地分享这份报告。水凝胶的疲劳问题确实很重要,但在实际应用中具有挑战性。我认为,最近取得的进展为解决这一关键任务问题奠定了基础,后续工作的出现是可以预期的。
大多数现有的试验用于探测疲劳行为利用薄片试样的张力(纯剪切试验)。这种结构使实验结果更容易与理论分析相联系,但在一定程度上与实际情况有所偏离。考虑到在更复杂的应力状态下的疲劳行为可能不同于在简单张力下观察到的疲劳行为,您如何考虑不同设计原则的必要性?
最好的
canhui
疲劳特征
亲爱的Canhui,
当人们试图将软材料疲劳的基础研究转化为更实际的应用时,我认为你触及了一个非常重要的点。
1、首先,正如您所提到的,在材料创新的初始阶段,我们首先需要进行标准的表征试验(如纯剪切、单缺口拉伸、90度剥落),这样我们才能获得有利于理论分析的材料性能(如疲劳阈值、界面疲劳阈值)。
当我们试图将一种材料应用于实际系统时,我们确实需要能够接近模拟真实条件的特性,包括复杂的应力状态,酸度,甚至真实的心理环境。例如,在设计可摄取水凝胶丸时,我们对球形水凝胶球囊在酸性溶液中进行循环压缩试验,作为离体试验,模拟其真实的动载荷条件。为了进一步评估材料在实际条件下的性能,人们甚至更喜欢在体内测试,以评估材料在植入或摄入时是否有效。在这里,我们与Gio Traverso教授合作进行了一项大型动物试验,以证明水凝胶药丸可以在猪胃中停留30天。
你关于不同设计原则的必要性的观点确实是正确的。更具体地说,我们首先需要将设计原则作为材料层面的特征。我们还需要设计标准作为系统级评估。
我试图解决这个广泛而具有挑战性的问题。我也想听听你的观点。
最好的
Shaoting
全面审查
亲爱的Shaoting,
非常感谢你对水凝胶疲劳的精彩回顾。它是如此全面,人们可以很容易地进入这个领域。自从上次EASF研讨会以来,我一直在等待这次审查。我想听听你对以下几点的看法:
(1)对水凝胶疲劳的研究几乎与对水凝胶粘附性的研究同时开始。两者都是在2015年左右。现在,我们可以想象水凝胶粘附在生物医学工程中的巨大潜力。抗疲劳水凝胶的杀手级应用是什么?
(2) PVA水凝胶是一种经典材料。由于你的贡献,人们现在知道它是非常抗疲劳的。这一发现会为聚乙烯醇水凝胶找到新的应用和机会吗?聚乙烯醇水凝胶的研究现状,特别是应用前景如何?
(3)一个详细的问题:对于PVA水凝胶来说,由于偶联聚合物链的阻碍,它在加载方向上是抗疲劳的。垂直于加载轴的方向呢?那个人容易疲劳吗?
聚乙烯醇及其应用
亲爱的Jingda,
谢谢你的溢美之词。同时,衷心祝贺您在EASF的精彩演讲!你的问题很有挑战性,但也很有启发性。我将尝试从我的角度来回答这些问题。我也想听听你的想法。
你是对的。水凝胶黏附和水凝胶疲劳的研究虽然是同时开始的,但目前处于不同的发展阶段。水凝胶黏附作为转化科学的一项领先技术,已经显示出其广泛而直接的影响;而抗疲劳水凝胶的研究大多集中在基础研究或材料开发上。
抗疲劳水凝胶的一个应用,我也认为它具有巨大的转化潜力,那就是可摄取的水凝胶药丸作为胃保留装置,用于长期的心理信号监测、肥胖控制、药物输送和胃肠道成像。对于有能力进行这种体内测试的团队来说,我相信抗疲劳水凝胶具有巨大的潜力,可以实现以前无法实现的性能或功能。
除了可消化的胃保持装置的应用外,抗疲劳水凝胶对于许多现有的软材料在软机器上的应用至关重要。软机器的大部分工作都是实验室工作。然而,当以实际部署为目标时,它们的长期可靠性是其使用寿命的致命因素。如果我们回顾金属、复合材料和塑料的发展,它们的疲劳研究一直是一个热门话题,疲劳评估一直是产品商业化之前的标准程序。我觉得软性机器的发展还没有进入那个阶段,但是会把人们的注意力带到更现实的因素上,比如寿命、腐蚀、老化。
我还需要指出的是,水凝胶的许多应用实际上并不需要那么高的抗疲劳性。例如,在表皮可穿戴设备中,相关材料的变形通常很小。当用于人体时,按需降解也更有利。这取决于具体的应用条件。
(2)正如我在(1)中提到的,可摄取水凝胶丸是PVA水凝胶的新应用。如果我们追踪PVA水凝胶的文献,大多集中在软骨置换。我曾访问过飞利浦,他们使用PVA作为具有复杂形状的超声假体。现有生物医学设备的坚固涂层似乎也是医生的兴趣所在。
如果不局限于PVA水凝胶,我实际上也看到了水凝胶在生物医学工程以外应用的潜力。水凝胶最近也引起了可持续水、能源收集和农业领域的兴趣。例如,以下论文使用水凝胶进行光伏冷却(李荣,石毅,吴明,洪树生,王鹏,大气水吸附-蒸发循环冷却光伏板。自然的可持续性, 1-8, 2020)。
(3)我们实际上提出了两种形式的PVA水凝胶:干退火PVA水凝胶和纳米纤维PVA水凝胶。对于干退火的PVA水凝胶,它是各向同性的,因此它在任何方向上都表现出抗疲劳性。然而,对于纳米纤维PVA水凝胶来说,它是各向异性的。沿纤维排列方向加载时,抗疲劳强度高(1250 J/m^2),而沿纤维排列方向加载时,抗疲劳强度相对较低(233 J/m^2)。若冰的工作(https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/23079)也显示出类似的各向异性性质的纳米纤维聚乙烯醇水凝胶使用不同的制造技术。
为了解决这个问题,我们将纳米纤维水凝胶打印成网状结构,这样样品在两个平面方向上都显示出抗疲劳性。我相信你展示了一个非常先进的3D打印版本,可以实现抗疲劳弹性体。
最好的
Shaoting
我同事最近发表的两篇评论论文
亲爱的Jingda,
我也想分享我的同事的两篇综述论文,这两篇论文特别阐述了水凝胶的应用。
水凝胶的机器由Xinyue
水凝胶生物电子学玄宇和宝阳。
最好的
Shaoting
亲爱的Shaoting,
亲爱的Shaoting,
谢谢你的深入和有益的讨论。谢谢你分享这两篇评论,我通常会阅读你们组的每一篇论文。我同意你的观点,水凝胶黏附和水凝胶疲劳的研究处于不同的发展阶段。事实上,水凝胶粘合剂已经被研究了几十年。近年来才出现了较强的水凝胶粘附。这使得比较很清楚。水凝胶疲劳是一个更年轻的领域(哈哈哈)。
如果我们假设抗疲劳水凝胶将主要用于生物医学工程,你有没有想过它的影响在活的有机体内环境对水凝胶抗疲劳性能的影响?你们在作业中做了水下疲劳测试,比我们以前做得好。您是否曾将水环境改为PBS缓冲液或其他生物液体(如胃液,pH值非常低))?这些是我的随机想法,可能不是公平的问题:)
最好的
Jingda
心理环境下的疲劳测试
亲爱的Jingda,
谢谢你的观点。是的,我们也在不同的生物液体中进行了疲劳表征。
在我们对可摄取水凝胶球囊的离体长期表征中,我们使用了胃液。
在使用90度剥落试验表征水凝胶粘附的疲劳特性时,我们将样品浸入PBS缓冲液中。
在平面上软骨动态分级试验中,在水凝胶涂层与软骨交界面喷涂一层薄薄的模拟滑液作为润滑剂,模拟膝关节的工作环境。
最好的
Shaoting
一些随意的想法
亲爱的Shaoting,
祝贺你对正在进行的水凝胶疲劳和抗疲劳领域有这样一个很好的概述。既然我们已经在网上和线下讨论了很多,我在这里只是随便提一些问题和想法。
1.虽然力学界的人通常把疲劳指的是循环载荷下的失效,但“疲劳”这个词在现实中可以有很多含义,正如我们之前总结的那样:疲劳症状”。一段时间以来,我们主要关注一个症状,“循环疲劳裂纹扩展”,这是一个非常重要的症状,在您和其他同事的努力下,现在已经或多或少得到了解决。另一方面,水凝胶疲劳的其他症状仍然存在挑战。例如,水凝胶的性能在长时间加载后会退化。为了应对这些挑战,它需要其他复杂的加载条件、样品几何形状和体内测试,正如人们在上面已经讨论过的那样。此外,这些问题应该与实际应用有关。追求一种“完美”的“抗疲劳”水凝胶可能太过了,而且在某种程度上,这个问题变得更像是工程学而不是科学。你对“下一步”有什么想法?
2.除了工程应用之外,我相信水凝胶的疲劳特性,以及围绕它的所有特性和设计,为解决基本问题提供了一个很好的平台。“内在断裂韧性”的长期研究和不确定性就是其中一个例子。伴随水凝胶破裂和破坏的粘弹性、孔隙弹性和复杂流变学仍然有许多有趣的基础问题需要研究。我知道一段时间以来你一直试图解决这些问题。您认为与这些基础研究相关的挑战或机遇是什么?
3.在断裂力学中,许多人同时讨论裂纹形核和裂纹扩展。经典断裂力学很好地解决了裂纹扩展问题,但裂纹成核始终是一个具有挑战性的课题。在水凝胶断裂和疲劳中,我认为思考裂纹成核是很有趣的,甚至,我们是否真的需要抗疲劳裂纹增长的水凝胶(当然我们需要!)双网韧性水凝胶的缺陷敏感长度或黏结区大小可达1mm。在这种情况下,我们所担心的和使用具有大初始裂纹长度的样品进行测试可能与实际应用无关。只要我们有一种非常坚韧的水凝胶,可以抵抗疲劳损伤(随着循环/加载时间的退化),我们就可以顺利进行。当然,所有这些现象都有内在的联系,但我有时会反思自己,我们是否在某一方面追求得太远了。
真诚地,
Ruobing
为“下一个”进行头脑风暴
亲爱的Ruobing,
我很喜欢你的随机想法,这是一种为这个方向的未来道路进行头脑风暴的想法。
1、实际应用中的疲劳症状确实涉及到更复杂的加载条件、样品几何形状和化学环境,最终变成一个工程问题。从我个人的角度来看,这种工程设计在实际应用中,反过来又可以激发新的科学挑战。例如,以神经探针为例,长期慢性损伤仍然是该领域的核心挑战,其中以人体微运动为边界条件,瘢痕形成为异物反应,阻抗增加为疲劳症状。这一工程挑战可能会启发设计导电抗疲劳材料,用于长时间记录或刺激神经元细胞。科学问题可能是持久导电材料的原理是什么,这也涉及到分子结构的设计。
老实说,除了应用之外,我对其基本含义更感兴趣。我相信您已经为使用疲劳表征作为平台奠定了一些基础工作,表明粘弹性对疲劳阈值没有贡献。无论是粘弹性还是孔弹性,都要考虑时间尺度,因此加载频率也必须起作用。我特别感兴趣的是了解软材料的内在断裂能,这一领域自1958年以来一直在研究,但仍然模糊不清。我相信最近的实验技术的发展,探测链断裂和应力映射可能为深入了解软材料断裂提供新的机会。
我完全同意你的看法。水凝胶的一些应用不包含长裂纹,因此由于其缺陷不敏感,在其使用寿命期间甚至可能不会遭受断裂或疲劳的问题。但作为基础研究的起步阶段,我们仍然需要标准的测试方法(如长裂纹纯剪切试样)来测量断裂能作为材料性能的值。一个不合理的小裂缝的试样不会给出一个具有明确物理意义的值,因此对人们来说比较是一个挑战。
另一方面,我也看到了为什么材料科学领域的人似乎更愿意使用应力-应变曲线的面积来量化材料的韧性。这种以J/m^3为单位的韧性更适用于样品通常没有缺口的实际应用。
最好的
Shaoting
亲爱的Shaoting,
谢谢你的好评。我是李澄海,加州大学圣地亚哥分校的博士生。我很好奇微观分子结构和宏观力学性能之间的关系。对于玻璃、理想网络、陶瓷等简单的微观结构,先驱者提出了一些将宏观性质与微观结构联系起来的清晰认识。(如Griffith关于玻璃断裂的论文,预测NR阈值或完美网络韧性的Lake-Thomas模型……)但一般来说,聚合物的微观结构变得更加复杂。(不均匀性、链长分布、悬垂链、环…)如Canhui和Zhigang的JMPS论文所示,偏差从完美的网络可以显著影响聚合物的机械性能(如韧性,缺陷敏感性,断裂功…)。我的问题是,如何定性和定量地建立聚合物微观分子结构与宏观性质之间更清晰的关系?
正常的
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结构属性关系
亲爱的汕头市澄海,
很高兴在机械杂志俱乐部见到你。万博manbetx平台我认为你的问题是这个领域缺少的,但从根本的角度来看是非常需要的。
人们正在积极研究拓扑缺陷对弹性的影响,基本上将聚合物拓扑与幻模弹性(例如:钟明明,王仁明,王志刚,王志刚,王志刚。基于分子缺陷的聚合物网络弹性分析。科学353, 1264-1268(2016)。据我所知,这种关于聚合物断裂的研究还没有很好的建立。
如果我没看错文献的话,弗洛里首先提出了聚合物拓扑的概念,并引入了图论的概念,以理解弹性(张文杰,网络拓扑与橡胶理论弹性。Br。变异较大。[j] .地理科学,1999,19 (2):1 - 4)。
通过跟踪这项工作,我的感觉是我们需要首先对缺陷进行分类,然后逐一了解每种类型的拓扑缺陷的影响。有了一定的理论认识,我们可以利用现有的化学合成来设计具有控制缺陷的水凝胶作为实验研究的模型材料体系。我最近正在这个方向学习和工作。希望,一旦我在这个方向上取得一些进展,我可以多说一些。
这真是一个很好的问题和见解。
最好的
Shaoting
谢谢你的深刻见解
谢谢你有见地的评论。期待您在这一领域的进一步工作!
大马士革钢耐疲劳吗?
我刚刚在推特上一些想法。
谢谢
亲爱的中国,
谢谢你分享的论文高强度大马士革钢.引入软硬相层压板似乎对硬材料和软材料都很有效。分层和非均质硬材料的设计工作已经有一段时间了,而软材料的工程软硬相的概念是最近才开始的。
正如你在Twitter上总结的那样,减压的核心理念对抗疲劳至关重要。你和正劲(王忠等,PNAS, 116, 2019)展示了一种简单有效的方法来设计软材料的软相和硬相,以实现应力去集中,从中我也学到了很多。
实际上,我对有软域和硬域的系统中的几个长度尺度很感兴趣。这些区域的大小(或纤维的长度)如何与内聚长度相关,从而影响断裂或疲劳性能?
最好的
Shaoting
抗疲劳聚合物网络
在准备关于骨折的研究生课程时,我刚刚在twitter上发了一条帖子抗疲劳聚合物网络.
谢谢!
亲爱的中国,
确定。非常感谢。这让我想起了三四年前上你的骨折力学课的美好经历!
最好的
Shaoting