受龍蝦腹部結構啟發 科學家開發或可用作人造肌腱的螺旋形材料

對龍蝦腹部復雜結構的新認識為麻省理工學院(MIT)的工程師們提供了一種堅韌而有彈性的新型水凝膠的模型。這種材料模仿了龍蝦腹部的螺旋結構,使其具有很強的耐久性和抗撕裂性,創造者希望它能被用作人造韌帶和肌腱。

受龍蝦腹部結構啟發 科學家開發或可用作人造肌腱的螺旋形材料

這種新材料是平行研究的結果,其中之一是機械工程教授趙煊赫正在進行的水凝膠開發。趙煊赫團隊的研究人員一直在研究抗疲勞水凝膠,它由水和交聯聚合物製成,由像一束稻草一樣排列的超細纖維組成。這使它們能夠承受反復的拉伸和拉扯而不發生撕裂。

與此同時,麻省理工學院的另一組科學家最近發表了描述龍蝦腹下機械特性的研究。這種保護膜的橫截面顯示了由天然聚合物甲殼素製成的薄片,它們以36度角相互堆疊,很像一個螺旋形的樓梯。這被稱為bouligand結構,研究人員說這是該膜的自然伸展性和強度的關鍵。

研究報告作者林少挺說:「我們了解到龍蝦腹部的這種bouligand結構具有很高的機械性能,這促使我們看看是否能在合成材料中再現這種結構。」

科學家們合作使用抗疲勞水凝膠重新創造了這種結構。這涉及到使用電紡技術創建直徑約為800納米的超細線,這些線被捆綁在一起形成平坦的薄膜,並在一個高濕度室中焊接,然後在培養箱中結晶。

然後將這些薄膜中的五個疊在一起,每個疊成36度角,形成螺旋狀的bouligand結構。這堆薄膜再次被焊接和結晶,以加強材料並形成一個水凝膠,其大小與一小塊蘇格蘭膠帶差不多。

受龍蝦腹部結構啟發 科學家開發或可用作人造肌腱的螺旋形材料

拉伸測試顯示,水凝膠與天然龍蝦腹膜一樣具有抗撕裂和抗裂的能力。科學家們還在薄膜上做了一些缺口,以觀察裂縫在經歷拉伸時可能如何傳播,有角度的結構似乎包含了損害,並導致材料的抗疲勞性比傳統納米纖維水凝膠高50倍。

林少挺解釋說:「從直覺上講,一旦材料中的裂紋在一層中傳播,它就會受到相鄰層的阻礙,這些層中的纖維以不同角度排列。」科學家們還使用微小的微粒子進行了沖擊測試,以高速向材料發射。這顯示了高抗沖擊性,或能量吸收,每公斤材料有40千焦耳。

研究作者David Veysset說:”這意味著一個以每秒200米的速度發射的5毫米的鋼球將被13毫米的材料所阻止。它不像凱夫拉那樣有抵抗力,凱夫拉需要1毫米,但這種材料在其他許多方面都勝過凱夫拉。”

伸展性是這種水凝膠勝過凱夫拉的一個類別。科學家們認為,這一點,加上其出色的強度,有一天可以看到它被用作靈活和耐用的人造組織,如韌帶和肌腱。這將需要大幅提高製造工藝,盡管該團隊對這種可能性感到興奮。

林少挺說:「要使水凝膠材料成為承重的人工組織,既要有強度,又要有變形能力。我們的材料設計可以實現這兩個特性。」

這項研究發表在《 Matter》雜誌上。

來源:cnBeta