南科大劉吉AM：超高抗疲勞水凝膠——仿生螺旋架構賦予軟材料超強耐久性

在軟組織工程和柔性電子器件快速發展的背景下，水凝膠材料因其優異的生物相容性和可調機械性能而備受關注。然而，傳統水凝膠在長期循環加載條件下極易發生疲勞斷裂，這一固有缺陷嚴重制約了其在人工肌肉、承重植入物和軟體機器人等領域的實際應用。盡管研究人員通過雙網絡結構、納米晶體增強等策略將水凝膠的疲勞閾值提升了2-3個數量級，但如何實現跨尺度的分層結構精確調控，仍然是該領域面臨的重大挑戰。

南方科技大學劉吉副教授課題組提出了一種受生物啟發的扭轉分層結構設計策略，成功制備出具有超高抗疲勞性的水凝膠纖維。通過精確控制扭轉參數，研究團隊實現了拉伸應變提升200%、斷裂韌性增加150%、疲勞抗性提高1000%以上的顯著突破，為傳統聚合物水凝膠網絡賦予了前所未有的抗疲勞性能，標志著功能性軟材料設計的重大進展。相關論文以“Fatigue Resistant Hydrogels Engineered With Twisting Hierarchical Structures”為題，發表在

Advanced Materials

圖1 | 扭轉水凝膠纖維的設計理念和力學性能。（a）受天然肌肉束和膠原纖維分層結構啟發的多尺度扭轉纖維設計示意圖。（b,c）扭轉纖維展現出優異的韌性、應變耐受性和剪切強度。（d）扭轉纖維可承受超過自身重量10000倍的載荷（100克砝碼）。（e,f）與天然及合成軟材料相比，扭轉纖維在高韌性和大拉伸性能方面達到此前未及的區域，在多指標綜合力學性能上表現優異。

研究團隊以聚乙烯醇（PVA）為模型材料，開發了“拉伸-扭轉-熱退火”三步法構建分層結構（圖2a）。首先通過限域干燥拉伸誘導聚合物鏈沿纖維軸向排列，形成納米原纖維結構；隨后施加精確控制的扭轉使纖維獲得螺旋形貌；最后通過熱退火處理在纖維內部及界面形成氫鍵鎖定結構。掃描電鏡和熒光成像顯示，扭轉后纖維表面出現周期性原纖維排列紋理（圖2b），溶脹測試證實結構完整性得到保持（圖2c）。小角X射線散射分析表明，扭轉處理使相鄰晶區距離縮小至12納米，結晶度達到約35%（圖2d），顯著優于其他加工方法。力學測試揭示4股200捻/米是最優構型參數，該條件下纖維的拉伸強度和斷裂伸長率同步提升，線性彈性區斜率最陡（圖2e,f），表明結構實現了最優化的應力傳遞效率。

圖2 | 扭轉水凝膠纖維材料的分層結構與力學性能 （a）扭轉水凝膠纖維材料的分層結構示意圖。（b）扭轉水凝膠纖維材料的橫截面掃描電鏡圖像。（c）單根水凝膠纖維及不同扭轉參數下扭轉纖維的代表性圖像。（d）從小角X射線散射測量得到的水凝膠纖維材料晶區平均距離估算值，以及各樣品的SAXS圖譜。（e）不同扭轉參數下扭轉水凝膠纖維材料的代表性拉伸應力-應變曲線。第一個數字表示纖維數量，連字符后的數字表示捻度（轉/米）。例如，2-200表示2股纖維200轉/米。（f）這些扭轉水凝膠纖維樣品的力學參數（如應變和韌性）匯總。圖（d）和（f）數據以平均值±標準差表示，n=3。

抗疲勞性能評估采用經典單缺口法（圖3a），結果顯示扭轉處理后纖維的裂紋擴展速率較傳統凍融法和DCC法降低1-2個數量級。通過線性外推裂紋擴展速率與能量釋放率曲線，測得扭轉纖維的疲勞閾值突破4500 J/m2（圖3b,c），相比凍融法（40 J/m2）提升100倍，較DCC法（800 J/m2）提升5倍，超越聚兩性電解質水凝膠（100 J/m2）、PVA/氧化石墨烯復合材料（1700 J/m2）甚至骨骼肌組織（約1000 J/m2）（圖3d）。10000次循環加載測試證實纖維可保持90%以上的應力承載能力（圖3e），應力-應變曲線幾乎不變，表明累積損傷極小。該方法在海藻酸鹽纖維和羥乙基纖維素纖維體系中也獲得驗證（圖3f-h），展現出優異的材料普適性。

圖3 | 具有扭轉結構的水凝膠纖維材料的疲勞抗性 （a）測量預切口水凝膠材料在水浴中每循環裂紋擴展量對能量釋放率G的示意圖，以避免機械測試過程中水凝膠材料失水。（b）各類水凝膠樣品（包括FT-PVA、DCC-PVA和扭轉PVA纖維）的dc/dN對G曲線圖。將曲線線性外推與橫軸截距得到臨界能量釋放率Gc，定義為樣品的疲勞閾值（Γ?）。（c）水凝膠樣品量化疲勞閾值（Γ?）匯總。（d）通過繪制各種高機械性能水凝膠材料（包括聚兩性電解質水凝膠（100 J/m2）、PVA/氧化石墨烯復合材料（1700 J/m2）以及生物組織如骨骼肌（約1000 J/m2））的疲勞閾值與強度對比圖。（d,e）通過對預切口樣品施加4500 J/m2能量釋放率進行10000循環測試，驗證扭轉PVA水凝膠纖維樣品的估算疲勞閾值。（f-h）采用相同扭轉結構的5 wt.%或10 wt.% PVA纖維、海藻酸鹽纖維和HEC纖維樣品的拉伸強度、韌性和疲勞閾值（Γ?）匯總，以驗證我們設計和制造策略的普適性。圖（b）、（c）和（f-h）數據以平均值±標準差表示，n=3。

為揭示扭轉增強機理，研究團隊建立了基于耗散粒子動力學的多尺度計算框架（圖4a），通過Python算法構建精確的螺旋結構模型（圖4b）。模擬結果表明，4股纖維在約10%工程應變下呈現最優軸向應力傳遞（圖4c），而過度扭轉（10股）會導致應力分布紊亂（圖4d）。幾何分析顯示，4股纖維在5%-20%應變范圍內旋轉矢量的z分量均勻增加（圖4f），表明截面協同旋轉；而10股纖維在2%-8%應變區間z分量交替變化（圖4g），出現反向旋轉失效機制。剪切應變表征證實，4股體系在5%-25%應變范圍內保持均勻分布（圖4h），通過纖維間滑移和扭轉耗散能量；10股體系則在約9%應變處出現局部剪切集中（圖4i），最終導致幾何鎖死和打結現象。

圖4 | 扭轉水凝膠纖維材料拓撲和幾何效應的多尺度分析 （a）基于DPD的跨尺度計算框架示意圖。（b）通過Python程序生成的螺旋纖維結構。（c）四股纖維在約10%工程應變下的歸一化馮·米塞斯應力場，顯示協同應力傳遞。（d）十股纖維的馮·米塞斯應力場，顯示應力傳遞被破壞。（e）不同扭轉圈數纖維的非線性DPD模擬應力-應變曲線，通過強度、應變和韌性的演變趨勢確認四圈為臨界閾值。（f）對于四股纖維（4股200捻/米），旋轉矢量的z分量隨拉伸應變（約5%-20%）均勻增加，表明截面協同旋轉。（g）對于十股纖維（10股200捻/米），旋轉矢量的z分量隨應變（約2%-8%）交替變化，反映截面相對兩側間的相對扭轉。（h）在四股纖維中，剪切應變分布在約5%-25%的拉伸應變范圍內保持均勻，證明纖維間/纖維內滑移和扭轉。（i）在十股纖維中，約9%拉伸應變時，纖維束末端出現局部剪切應變，結合相對滑移和扭轉，導致幾何鎖死及隨后的互鎖和打結。

基于上述成果，團隊仿生蛙舌肌肉分層結構，設計制備了柔性氣動致動器（圖5a,b）。將扭轉水凝膠纖維作為承重和彈性回縮元件嵌入Ecoflex基體，通過氣動通道實現可編程形變（圖5c）。在模擬捕食任務的驗證中，該人工蛙舌可在20秒內完成伸展、捕獲、收縮和回收的全過程（圖5d）。傳統無增強致動器通常在有限循環后出現微裂紋擴展和界面剝離，而扭轉纖維增強體系在10萬次（約500小時）循環致動后，預切口樣品仍保持結構完整，未檢測到裂紋擴展、分層或界面分離（圖5e），致動響應速度提升約60%，卷曲曲率半徑減小約40%。

圖5 | 作為蛙舌狀致動器承重組件的功能展示 （a）舌狀致動器的幾何結構示意圖，包含作為承重組件的扭轉水凝膠纖維以及作為氣動致動通道的氣路。（b）制備好的軟致動器圖像，以及通過氣動驅動使舌狀致動器伸展/卷曲的圖像。比例尺：1厘米。（c）帶有氣動驅動人工舌的仿蛙機器人示意圖。（d）仿蛙機器人捕獲獵物軌跡的快照圖像。舌頭通過氣動驅動伸展、捕獲獵物、收縮和收回獵物，整個過程在20秒內完成。比例尺：3厘米。仿蛙機器人（商業外殼）購自淘寶（中國在線市場）。圖像由作者提供。（e）預切口（總寬度的1/5）人工舌在10萬次（約500小時）長期形變前后的圖像。比例尺：1厘米。

該研究建立的扭轉誘導多尺度取向策略為工程化抗疲勞水凝膠纖維提供了普適性解決方案。通過從分子鏈到宏觀原纖維的分層結構調控，研究團隊在化學組成多樣的水凝膠體系中實現了韌性（提升150%）、可拉伸性（200%應變）和疲勞抗性（提升1000%）的協同增強。受膠原/肌腱生物力學啟發，這種螺旋結構通過可逆氫鍵斷裂和可控原纖維滑移實現多尺度能量耗散，有效解決了水凝膠疲勞失效的持久性挑戰。除了軟致動應用，兼具組織樣柔順性、高循環耐久性和纖維幾何特征的該平臺材料，有望在人工肌腱韌帶、手術縫線和機械穩健的植入式界面等生物集成領域展現廣闊前景。