在軟組織工程和柔性電子器件快速發(fā)展的背景下，水凝膠材料因其優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)機械性能而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)水凝膠在長期循環(huán)加載條件下極易發(fā)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(lǐng)域的實際應(yīng)用。盡管研究人員通過雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、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(shù)量級，但如何實現(xiàn)跨尺度的分層結(jié)構(gòu)精確調(diào)控，仍然是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

南方科技大學劉吉副教授課題組提出了一種受生物啟發(fā)的扭轉(zhuǎn)分層結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)參數(shù)，研究團隊實現(xiàn)了拉伸應(yīng)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(tǒng)聚合物水凝膠網(wǎng)絡(luò)賦予了前所未有的抗疲勞性能，標志著功能性軟材料設(shè)計的重大進展。相關(guān)論文以“Fatigue Resistant Hydrogels Engineered With Twisting Hierarchical Structures”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

圖1 | 扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維的設(shè)計理念和力學性能。（a）受天然肌肉束和膠原纖維分層結(jié)構(gòu)啟發(fā)的多尺度扭轉(zhuǎn)纖維設(shè)計示意圖。（b,c）扭轉(zhuǎn)纖維展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性、應(yīng)變耐受性和剪切強度。（d）扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)纖維在高韌性和大拉伸性能方面達到此前未及的區(qū)域，在多指標綜合力學性能上表現(xiàn)優(yōu)異。

研究團隊以聚乙烯醇（PVA）為模型材料，開發(fā)了“拉伸-扭轉(zhuǎn)-熱退火”三步法構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)；隨后施加精確控制的扭轉(zhuǎn)使纖維獲得螺旋形貌；最后通過熱退火處理在纖維內(nèi)部及界面形成氫鍵鎖定結(jié)構(gòu)。掃描電鏡和熒光成像顯示，扭轉(zhuǎn)后纖維表面出現(xiàn)周期性原纖維排列紋理（圖2b），溶脹測試證實結(jié)構(gòu)完整性得到保持（圖2c）。小角X射線散射分析表明，扭轉(zhuǎn)處理使相鄰晶區(qū)距離縮小至12納米，結(jié)晶度達到約35%（圖2d），顯著優(yōu)于其他加工方法。力學測試揭示4股200捻/米是最優(yōu)構(gòu)型參數(shù)，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(qū)斜率最陡（圖2e,f），表明結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了最優(yōu)化的應(yīng)力傳遞效率。

圖2 | 扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維材料的分層結(jié)構(gòu)與力學性能 （a）扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維材料的分層結(jié)構(gòu)示意圖。（b）扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)參數(shù)下扭轉(zhuǎn)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(qū)平均距離估算值，以及各樣品的SAXS圖譜。（e）不同扭轉(zhuǎn)參數(shù)下扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維材料的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。第一個數(shù)字表示纖維數(shù)量，連字符后的數(shù)字表示捻度（轉(zhuǎn)/米）。例如，2-200表示2股纖維200轉(zhuǎn)/米。（f）這些扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維樣品的力學參數(shù)（如應(yīng)變和韌性）匯總。圖（d）和（f）數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，n=3。

抗疲勞性能評估采用經(jīng)典單缺口法（圖3a），結(jié)果顯示扭轉(zhuǎn)處理后纖維的裂紋擴展速率較傳統(tǒng)凍融法和DCC法降低1-2個數(shù)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(zhuǎn)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(zhì)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(huán)加載測試證實纖維可保持90%以上的應(yīng)力承載能力（圖3e），應(yīng)力-應(yīng)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(xiàn)出優(yōu)異的材料普適性。

圖3 | 具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的水凝膠纖維材料的疲勞抗性 （a）測量預(yù)切口水凝膠材料在水浴中每循環(huán)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(zhuǎn)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(zhì)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?。s1000 J/m2））的疲勞閾值與強度對比圖。（d,e）通過對預(yù)切口樣品施加4500 J/m2能量釋放率進行10000循環(huán)測試，驗證扭轉(zhuǎn)PVA水凝膠纖維樣品的估算疲勞閾值。（f-h）采用相同扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(shè)計和制造策略的普適性。圖（b）、（c）和（f-h）數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，n=3。

為揭示扭轉(zhuǎn)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(gòu)建精確的螺旋結(jié)構(gòu)模型（圖4b）。模擬結(jié)果表明，4股纖維在約10%工程應(yīng)變下呈現(xiàn)最優(yōu)軸向應(yīng)力傳遞（圖4c），而過度扭轉(zhuǎn)（10股）會導致應(yīng)力分布紊亂（圖4d）。幾何分析顯示，4股纖維在5%-20%應(yīng)變范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)矢量的z分量均勻增加（圖4f），表明截面協(xié)同旋轉(zhuǎn)；而10股纖維在2%-8%應(yīng)變區(qū)間z分量交替變化（圖4g），出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)失效機制。剪切應(yīng)變表征證實，4股體系在5%-25%應(yīng)變范圍內(nèi)保持均勻分布（圖4h），通過纖維間滑移和扭轉(zhuǎn)耗散能量；10股體系則在約9%應(yīng)變處出現(xiàn)局部剪切集中（圖4i），最終導致幾何鎖死和打結(jié)現(xiàn)象。

圖4 | 扭轉(zhuǎn)水凝膠纖維材料拓撲和幾何效應(yīng)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(jié)構(gòu)。（c）四股纖維在約10%工程應(yīng)變下的歸一化馮·米塞斯應(yīng)力場，顯示協(xié)同應(yīng)力傳遞。（d）十股纖維的馮·米塞斯應(yīng)力場，顯示應(yīng)力傳遞被破壞。（e）不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)纖維的非線性DPD模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過強度、應(yīng)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(zhuǎn)矢量的z分量隨拉伸應(yīng)變（約5%-20%）均勻增加，表明截面協(xié)同旋轉(zhuǎn)。（g）對于十股纖維（10股200捻/米），旋轉(zhuǎn)矢量的z分量隨應(yīng)變（約2%-8%）交替變化，反映截面相對兩側(cè)間的相對扭轉(zhuǎn)。（h）在四股纖維中，剪切應(yīng)變分布在約5%-25%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)保持均勻，證明纖維間/纖維內(nèi)滑移和扭轉(zhuǎn)。（i）在十股纖維中，約9%拉伸應(yīng)變時，纖維束末端出現(xiàn)局部剪切應(yīng)變，結(jié)合相對滑移和扭轉(zhuǎn)，導致幾何鎖死及隨后的互鎖和打結(jié)。

基于上述成果，團隊仿生蛙舌肌肉分層結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備了柔性氣動致動器（圖5a,b）。將扭轉(zhuǎn)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(xiàn)可編程形變（圖5c）。在模擬捕食任務(wù)的驗證中，該人工蛙舌可在20秒內(nèi)完成伸展、捕獲、收縮和回收的全過程（圖5d）。傳統(tǒng)無增強致動器通常在有限循環(huán)后出現(xiàn)微裂紋擴展和界面剝離，而扭轉(zhuǎn)纖維增強體系在10萬次（約500小時）循環(huán)致動后，預(yù)切口樣品仍保持結(jié)構(gòu)完整，未檢測到裂紋擴展、分層或界面分離（圖5e），致動響應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖，包含作為承重組件的扭轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(qū)動伸展、捕獲獵物、收縮和收回獵物，整個過程在20秒內(nèi)完成。比例尺：3厘米。仿蛙機器人（商業(yè)外殼）購自淘寶（中國在線市場）。圖像由作者提供。（e）預(yù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)調(diào)控，研究團隊在化學組成多樣的水凝膠體系中實現(xiàn)了韌性（提升150%）、可拉伸性（200%應(yīng)變）和疲勞抗性（提升1000%）的協(xié)同增強。受膠原/肌腱生物力學啟發(fā)，這種螺旋結(jié)構(gòu)通過可逆氫鍵斷裂和可控原纖維滑移實現(xiàn)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(zhàn)。除了軟致動應(yīng)用，兼具組織樣柔順性、高循環(huán)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(shù)縫線和機械穩(wěn)健的植入式界面等生物集成領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊前景。