Muscle-like fatigue-resistant hydrogels by mechanical training

自愈水凝胶 材料科学 微观结构 组织工程 生物医学工程 无定形固体 聚合物 模数 复合材料 纳米技术 化学 高分子化学 医学 有机化学
作者
Shaoting Lin,Ji Liu,Xinyue Liu,Xuanhe Zhao
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:116 (21): 10244-10249 被引量:392
标识
DOI:10.1073/pnas.1903019116
摘要

Skeletal muscles possess the combinational properties of high fatigue resistance (1,000 J/m2), high strength (1 MPa), low Young's modulus (100 kPa), and high water content (70 to 80 wt %), which have not been achieved in synthetic hydrogels. The muscle-like properties are highly desirable for hydrogels' nascent applications in load-bearing artificial tissues and soft devices. Here, we propose a strategy of mechanical training to achieve the aligned nanofibrillar architectures of skeletal muscles in synthetic hydrogels, resulting in the combinational muscle-like properties. These properties are obtained through the training-induced alignment of nanofibrils, without additional chemical modifications or additives. In situ confocal microscopy of the hydrogels' fracturing processes reveals that the fatigue resistance results from the crack pinning by the aligned nanofibrils, which require much higher energy to fracture than the corresponding amorphous polymer chains. This strategy is particularly applicable for 3D-printed microstructures of hydrogels, in which we can achieve isotropically fatigue-resistant, strong yet compliant properties.
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