【科技自立自強】西安交大科研團隊在軟物質力學和應用方面取得系列進展
時間：2023-03-27 10:41:31 閱讀量：1288
水凝膠作為一種性能優異的軟材料，近年來在柔性器件、人體組織以及藥物運輸等領域有巨大的應用前景。然而水凝膠在應用中卻極易由于環境作用而失水或吸水，使其力學性質極不穩定。因此，亟需探究水凝膠力學性能在吸失水過程中的演變規律及其機理，為水凝膠的前沿應用提供基礎指導。
水凝膠失水的同步強化與軟化
西安交通大學航天航空學院軟機器實驗室的劉子順教授課題組聯合美國休斯頓大學Pradeep Sharma教授通過實驗發現水凝膠在脫水過程中存在一個同步強化與軟化現象，這打破了失水會造成水凝膠硬化的傳統認知。研究人員建立了水凝膠分子尺度模型，揭示了水凝膠失水同步強化與軟化的微觀機理。分子尺度模擬發現水凝膠在發生連續失水過程中分子鏈間的約束作用明顯加劇，并限制分子鏈的運動能力。該約束作用強度與含水量呈現指數級關系，從而解釋了水凝膠連續脫水時的指數級強化現象。另一方面，模擬發現對于同一測試含水量的水凝膠，發生過脫水的凝膠分子鏈具有更強的運動能力。這是由于脫水過程會給分子鏈引入一個預松弛效應，并降低分子鏈剛度，從而造成脫水軟化現象。同時，較高的制備含水量會給凝膠分子鏈引入更少的纏結效應，這也是脫水軟化現象的一個重要原因。基于統計熱力學和微觀模擬，研究人員還建立了水凝膠宏觀本構理論，并可成功描述水凝膠的這一同步脫水硬化和軟化行為。該基礎研究對認知水凝膠這一新型軟材料的力學特性和推動其在軟機器和生物醫學等前沿領域的應用具有重要價值。
上述研究成果以Concurrent stiffening and softening in hydrogels under dehydration為題發表在《Science Advances》上。西安交通大學航天航空學院助理教授徐帥博士和博士生周梓棣為論文共同第一作者，通訊作者為西安交通大學航天航空學院劉子順教授。論文合作者還有休斯頓大學的Pradeep Sharma院士。該研究工作得到了國家自然科學基金國際（地區）合作與交流項目、面上項目、青年基金等的資助。西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室為該論文第一署名及第一通訊單位。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ade3240
心臟瓣膜在人的一生中跳動約30億次，是人體內最抗疲勞的生物組織之一。當其發生病變或受損時，需要人造假體進行替換。然而，人造的聚合物瓣葉在反復開合過程中因疲勞裂紋擴展而快速失效，壽命僅為百萬次，難以媲美生物瓣上億次的疲勞壽命。因此，亟需探究心臟瓣膜組織的抗疲勞機理，指導抗疲勞軟材料的開發。
近日，西安交通大學航天航空學院軟機器實驗室的唐敬達副教授聯合美國哈佛大學鎖志剛院士等聚焦于經導管瓣膜通用的生物瓣葉材料，系統研究了其疲勞斷裂行為，揭示了心臟瓣膜組織的抗疲勞機理。建立了理論模型預測了裂紋敏感尺寸，發現心臟瓣膜組織疲勞閾值與疲勞裂紋敏感尺寸均比人造軟材料高出10~100倍，揭示了生物軟組織對缺陷不敏感的抗疲勞機制。建立了疲勞性能與微觀結構的內在聯系，生物軟組織不同于人造軟材料的均質結構，具有膠原纖維與纖維間基質構成的微觀復合結構。纖維間基質通過剪切變形橫向傳遞載荷，基質模量遠低于膠原纖維的模量，使膠原纖維內部的應力分散到較大的尺度；應力的長程傳遞降低了裂紋尖端的應力集中程度，增加了裂紋擴展時纖維斷裂釋放的能量，從而提升了生物軟組織的抗疲勞性能。生物軟組織瓣膜的疲勞壽命高達兩億次，而人造軟材料瓣膜僅為百萬次，印證了微觀復合結構對于生物軟組織抗疲勞性能的決定作用。
心臟瓣膜的置換手術與抗疲勞機理
上述研究成果以Flaw-insensitive fatigue resistance of chemically fixed collagenous soft tissues為題發表在《Science Advances》上。西安交通大學航天航空學院碩士生曾梁松和博士生劉豐愷為論文共同第一作者，通訊作者為西安交通大學航天航空學院唐敬達副教授和哈佛大學鎖志剛院士。論文合作作者包括西京醫院心外科的楊劍教授以及上海紐脈醫療科技公司的虞奇峰博士。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、國際（地區）合作與交流項目、王寬誠教育基金會等資助。西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室為該論文第一署名及第一通訊單位。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7375
來源：交大新聞網
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