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，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。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，水凝胶与工程材料之间实现了坚韧的粘合。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。最近在这一领域的其他研究包括Liu, Giovanni, and Langer等人[10]拉曼和乔凡尼等人[j]。

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。探测链断裂[31]的先进技术，映射应力[32]，并量化拓扑缺陷[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

1.2017年8月，软耗散材料断裂力学，荣龙

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[37]的工作。

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

2.2018年12月，功能软器件的亲疏水软材料键合，刘启涵

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