新型水凝胶拉伸21倍不断裂
--有望在人工软骨柔性机器人等领域获得应用
来源2012年09月07日 科技日报
科技日报讯据物理学家组织网9月6日报道，由美国哈佛大学的力学、材料科学以及组织工程学科学家组成的研究团队开发出了一种新型水凝胶材料。这种材料不但延展性和强度极佳，还具有良好的生物相容性和一定的自我修复功能，有望在人工软骨、人工肌肉以及柔性机器人制造等领域获得应用。相关论文发表在9月6日出版的《自然》杂志上。
论文第一作者、哈佛大学工程学院博士孙贞允（音译）说，传统水凝胶几乎和果冻差不多，强度极差，而这种新材料却完全不同。制造这种强度极好的水凝胶，他们用到了两种常见的高分子材料。第一种是聚丙烯酰胺，这种材料经常被用来制造隐形眼镜，在生物学实验室中也被用作电泳凝胶；第二种是藻酸盐，这是一种从海藻中提取的物质，常用于食品增稠。
如果单独来看，两种物质都较为脆弱，例如藻酸盐，延展到原始长度的1.2倍就会发生断裂。但如果按照一种特殊工艺将两种物质以8∶1的比例进行调配后，这一切就会发生变化。从微观上看，这两种物质会结合在一起，构成一种复杂的、相互交叉的网格结构。这种网格状的化学结构能够允许其进行高强度的拉伸而不至发生断裂。合成完成后，水凝胶中的藻酸盐分子之间会形成弱离子键，并在这个过程中捕获水中的钙离子。当凝胶被拉伸时，这些离子键会被拉开，同时释放出钙离子。这时水凝胶便具有了极大的拉伸余地，而聚合物链依然完好无损。与此同时，聚丙烯酰胺链构成的网格结构还会以共价键的方式与藻酸盐紧密固定在一起。这些聚丙烯酰胺网格有助于分散拉力，保证藻酸盐离子键不被拉得四分五裂。
实验发现，一块完整的这种水凝胶材料可拉伸至原长度的21倍而不发生断裂；即便在部分破损（材料上存在裂缝或小洞）的情况下，它也能拉伸至原长度的17倍。更重要的是，这种水凝胶在多次延展拉伸后仍能保持良好的柔韧性和强度。原因在于，在被拉伸后，只要稍稍放松，藻酸盐离子键与钙离子之间又会重新结合，恢复之前的结构，焕然一新。这一过程还会随着环境温度的升高而加速。
研究人员称，除人工软骨外，新的水凝胶还可以用于柔性机器人、光学、人工肌肉等领域。下一步，他们将借助一套模型系统，探索这种新材料在力学及其他领域的应用。（王小龙）
