Designprincip för hydrogeler mot trötthet. (A) Illustration av utmattningssprickutbredning i en amorf hydrogel och i hydrogeler med låga och höga kristalliniteter under cykliska belastningar. De gula områdena representerar kristallina domäner, och de blå områdena betecknar amorfa domäner. I den amorfa hydrogel och hydrogel med låg kristallinitet, trötthetströskeln kan hänföras till den energi som krävs för att bryta ett enda lager av polymerkedjor per ytenhet. I hydrogeln med hög kristallinitet, utmattningssprickutbredningen kräver fraktur av kristallina domäner. (B) Illustration av mätning av nominell spänning S mot sträckning λ -kurvor över N -cykler för den applicerade sträckan λA. Spännings-sträckningskurvan når steady state när N når ett kritiskt värde N*. (C) Illustration av mätning av sprickförlängning per cykel dc/dN kontra energiutsläppshastighet G -kurvor. Genom att linjärt extrapolera kurvan för att fånga upp abscissen, vi kan ungefär erhålla den kritiska energiutsläppshastigheten Gc, under vilken trötthetssprickan inte kommer att sprida sig under oändliga belastningscykler. Per definition, trötthetströskeln Γ0 är lika med den kritiska energiutsläppshastigheten Gc. Kreditera: Vetenskapliga framsteg . Doi:10.1126/sciadv.aau8528
Hydrogeler är polymernätverk infiltrerade med vatten, används ofta för vävnadstekniska fordon för läkemedelsleverans och nya plattformar för biomedicinsk teknik. Nya applikationer för nya hydrogelmaterial kräver robusthet under cykliska mekaniska belastningar. Materialforskare har utvecklat hårda hydrogeler som motstår sprickor under en enda cykel av mekanisk belastning, men dessa härdade geler lider fortfarande av trötthetsfraktur under flera belastningscykler. Den nuvarande trötthetströskeln för syntetiska hydrogeler rapporteras i storleksordningen 1 till 100 J/m 2 .
I en färsk studie, Shaoting Lin och ett team av materialforskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) föreslog design av en hydrogel mot trötthet. För att utveckla den föreslagna hydrogel, forskarna behövde materialen för att ha energier per ytenhet till ett mycket högre värde än det som krävdes för att bryta ett enda lager av polymerkedjor. För att åstadkomma detta, de kontrollerade införandet av kristallinitet i hydrogeler för att väsentligt förbättra deras egenskaper mot trötthet-fraktur. I det här arbetet, Lin et al. avslöjade trötthetströskeln för polyvinylalkohol (PVA) med en kristallinitet av 18,9 viktprocent (18,9 viktprocent) i svullet tillstånd för att överstiga 1000 J/m 2 . Resultaten publiceras nu i Vetenskapliga framsteg .
Det banbrytande arbetet från Gong et al har inspirerat materialforskare att konstruera hydrogeler som blir allt svårare att motstå sprickutbredning i en enda cykel av mekanisk belastning för industriella och biomedicinska tillämpningar. Hydrogels härdas via mekanismer för att sprida mekanisk energi, såsom fraktur av korta polymerkedjor och reversibla tvärbindningar till stretchiga polymernät. Än, de befintliga hårda hydrogelerna lider av trötthetsfraktur under flera cykler av mekaniska belastningar. Den högsta trötthetströskeln hittills är 418 J/m 2 för en dubbel nätverkshydrogel, poly (2-akrylamido-2-metyl-1-propansulfonsyra) (PAMPS) -PAAm. Resultatet tillskrivs den höga inneboende frakturenergin i PAAm -nätverket med mycket långa polymerkedjor.
Karakterisering av kristallina domäner i PVA -hydrogeler. (A) Representativa DSC-termografer av kemiskt tvärbundna (Ch), frystinat (FT), och torrglödgad PVA med glödgningstider på 0, 3, 10, och 90 min. (B) Vatteninnehåll i kemiskt tvärbunden, frysa upp, och torrglödgad PVA med glödgningstider på 0, 1, 3, 5, 10, och 90 min. (C) Mätt kristallinitet i de torra och svullna tillstånden av kemiskt tvärbundna, frysa upp, och torrglödgad PVA med glödgningstider på 0, 1, 3, 5, 10, och 90 min. (D) Representativa SAXS-profiler av frystinat och torrglödgat PVA, med glödgningstider på 0, 10, och 90 min. (E) Representativa WAXS-profiler av torrglödgad PVA med torrglödgningstider på 0, 3, 10, och 90 min. a.u., godtyckliga enheter. (F) SAXS-profiler av 90 min torrglödgad PVA i torrt tillstånd och svullet tillstånd. Insatserna illustrerar ökningen av avståndet mellan angränsande kristallina domäner på grund av svullnad av amorfa polymerkedjor. (G) Uppskattat genomsnittligt avstånd mellan angränsande kristallina domäner L och genomsnittlig kristallin domänstorlek D för torrglödgad PVA med glödgningstider på 0, 1, 3, 5, 10, och 90 min. (H) AFM fasbilder av torrglödgad PVA med glödgningstider på 0 och 90 min. Kreditera: Vetenskapliga framsteg . Doi:10.1126/sciadv.aau8528
Biologiska vävnader som brosk, senor, muskler och hjärtklaffar med extraordinära trötthetsegenskaper är relativt överlägsna syntetiska hydrogeler. Till exempel, biomekaniken för frakturenergi i knäleden efter långvariga belastningscykler är över 1000 J/m 2 . Detta beror på det inneboende, anti-trötthetsegenskaper hos biologiska vävnader baserade på högordnade och delvis kristallina kollagenfiberstrukturer. Lin et al. inspirerades att utveckla biomimetiska hydrogeler centrerade på sådana anti-trötthetsegenskaper hos biologiska vävnader. Deras hypotes var att ökad kristallinitet i syntetiska hydrogeler kunde öka materialets trötthetströskel, därför kommer trötthetströskeln i sådana biomimetiska material att vara högre eftersom kristallina domäner måste brytas för sprickutbredning.
För att testa hypotesen, Lin et al. använde PVA i studien som en modellhydrogel med avstämbar kristallinitet. De ökade glödgningstiden för PVA -hydrogeln för att ge högre kristallinitet, större kristallin domänstorlek och mindre genomsnittligt avstånd mellan de intilliggande domänerna. Den ökade kristalliniteten förbättrade kraftigt tröskelvärdena för PVA -hydrogelutmattning (för en kristallinitet på 18,9 viktprocent, trötthetströskeln översteg 1000 J/m 2 .)
Forskarna skapade sedan kirigami -hydrogelark som var mycket töjbara och motståndskraftiga mot trötthetsfraktur. De baserade hydrogelmodellerna på en strategi för att bibehålla högt vatteninnehåll och låga moduler, samtidigt som hydrogelerna är resistenta mot trötthetsfraktur. Det nya arbetet avslöjade en ny mekanism mot trötthet-fraktur vid hydrogelutveckling, samt en praktisk metod för att designa sådana hydrogeler för olika praktiska tillämpningar.
Övre panel:Mätning av trötthetströsklar för PVA -hydrogeler. Nominell spänning S mot sträckning λ kurvor över cykliska belastningar för (A) kemiskt tvärbunden hydrogel vid en applicerad sträcka av λA =1,6, (B) frystintad hydrogel vid en applicerad sträcka av λA =2,2, och (C) 90 min torrglödgad hydrogel vid en applicerad sträcka av λA =2,0. Sprickförlängning per cykel dc/dN kontra applicerad energiutsläppshastighet G för (D) kemiskt tvärbunden hydrogel, (E) fryst-tinad hydrogel, och (F) torrglödgad hydrogel med glödgningstid på 90 min. (G) trötthetströskeln ökar med kristalliniteten hos hydrogeln i svullet tillstånd. (H) Verifiering av trötthetströskel så hög som 1000 J/m2 i 90-minuters torrglödgad hydrogel med hjälp av testet med ett snäpp. Nedre panelen:Youngs moduli, draghållfasthet, och vatteninnehåll i PVA -hydrogeler. (A) Youngs modul mot kristallinitet i svullet tillstånd. (B) Draghållfasthet kontra kristallinitet i svullet tillstånd. (C) Vattenhalt kontra kristallinitet i svullet tillstånd. Kreditera: Vetenskapliga framsteg . Doi:10.1126/sciadv.aau8528
För att bilda hydrogeler tvärbundna av kristalldomäner under materialutveckling, forskarna frös först en lösning av icke -tvärbunden PVA vid -20 grader C i 8 timmar och tinade den vid 25 grader C i 3 timmar. Detta följdes av ytterligare torkning i en inkubator vid 37 grader C och glödgning vid 100 grader C under olika tidsintervall från noll till 90 minuter. Som en kontroll, forskarna tillverkade också en kemiskt tvärbunden PVA utan kristalldomäner (amorft polymernätverk). För att mäta kristalliniteterna hos de resulterande PVA -hydrogelerna i deras torra tillstånd, Lin et al. använde differentiell skanningskalorimetri (DSC).
Kristalliniteten hos PVA -proverna ökade i torrt tillstånd och utvecklades ytterligare med ökad glödgningstid. För att kvantifiera den utvecklande kristallina morfologin hos proverna, forskarna använde röntgenspridning med liten vinkel (SAXS) och vidvinklad röntgenspridning (WAXS). För att validera inställning av de kristallina domänerna i PVA -hydrogeln med ökad glödgningstid med fasbilder, forskarna använde atomkraftsmikroskopi (AFM). De resulterande bilderna visade ljusa områden med relativt hög modul (motsvarande den kristallina domänen) och mörka områden med relativt låg modul (motsvarande den amorfa polymeren).
För att utföra alla utmattningstester i studien, Lin et al. använde helt svullna hydrogeler nedsänkta i ett vattenbad för att förhindra sprickor som orsakas av uttorkning. Använda hundbenformade materialprover, forskarna utförde cykliska dragprov och varierade systematiskt den applicerade sträckan. När sträckan ökade, de kristallina domänerna omvandlas till inriktade fibriller längs laddningsriktningen.
Mönster av högkristallina regioner i PVA -hydrogeler. (A) Illustration av att införa en mycket kristallin region runt sprickspetsen. Insats:Ramanspektroskopi med ljus färg som representerar lågt vatteninnehåll och mörk färg som representerar hög vattenhalt. (B) Jämförelse av sprickförlängning per cykel dc/dN kontra applicerad energiutsläppshastighet G mellan det orörda provet och det spetsarmerade provet. Trötthetströsklarna för det orörda provet och det spetsförstärkta provet är 15 och 236 J/m2, respektive. (C) Illustration av införande av nätliknande högkristallina regioner. Insats:Digital bildkorrelationsmetod (DIC) visar stor deformation i lågkristallinitetsregioner och liten deformation i regioner med hög kristallinitet. (D) sprickförlängning per cykel dc/dN kontra applicerad energiutsläppshastighet G för det nätförstärkta provet. Trötthetströskeln för det nätförstärkta provet är 290 J/m2. (E) Vatteninnehållet i det orörda provet, det spetsarmerade provet, det nätförstärkta provet, och det helt glödgade provet. (F) Youngs moduler av det orörda provet, det spetsarmerade provet, det nätförstärkta provet, och det helt glödgade provet. (G) Illustration av införandet av mycket kristallina områden runt snittspetsar i ett orört kirigami -ark. (H) Effektiv nominell spänning kontra stretchkurvor för det förstärkta kirigami -arket under cykliska belastningar. Effektiv nominell spänning kontra stretchkurva för det orörda kirigami -arket under en enda belastningscykel. (I) Bilder av det förstärkta kirigami -arket under 1000:e cykeln och under 3000:e cykeln. (J) Jämförelse av trötthetströsklar och vatteninnehåll bland rapporterade syntetiska hydrogeler PVA -hydrogeler med mönstrade högkristallina regioner, och biologiska vävnader. (K) Jämförelse av trötthetströsklar och Youngs moduler bland rapporterade syntetiska hydrogeler, PVA -hydrogeler med mönstrade högkristallina områden, och biologiska vävnader. IPN i (J) och (K) representerar interpenetrerande polymernätverk. Kreditera: Vetenskapliga framsteg . Doi:10.1126/sciadv.aau8528
Energin som krävdes för att skada de kristallina domänerna och fibrillerna var mycket högre än den som krävdes för att bryta ett enda lager av samma polymer i dess amorfa tillstånd. Forskarna kvantifierade trötthetströskelns beroende av kristalliniteten. Både Youngs modul och draghållfastheten för hydrogelerna ökade med kristallinitet.
Lin et al. föreslog sedan en annan strategi för att införa specifikt programmerad, mycket kristallina regioner i hydrogelerna. För detta, de använde datorstödd konstruktion av elektriska kretsar för att framkalla lokal värmebehandling för att glöda utvalda områden i hydrogelerna. Som exempel på proceduren, Lin et al. lokalt introducerade ett mycket kristallint ringformat område runt en sprickspets. Trots det lilla området, ändringen orsakade en trötthetströskel på mer än 236 J/m 2 att fördröja sprickutbredning. Som ett andra exempel, forskarna mönstrade meshliknande högkristallina områden på den orörda hydrogeln. Växlingen gav en trötthetströskel på 290 J/m 2 , relativt låg Youngs modul (627 kPa) och hög vattenhalt (83 viktprocent), jämfört med den orörda omodifierade hydrogel.
Spänning av det orörda hackade provet och det spetsarmerade provet. Orörda provfrakturer vid sträckan 1,2 med frakturenergi på 22 J/m2. Det spetsförstärkta provet kan sträckas till 1,5 utan bristning och når frakturenergin på 300 J/m2. Kreditera: Vetenskapliga framsteg . Doi:10.1126/sciadv.aau8528
Lin et al. jämförde sedan trötthetströsklarna, vatteninnehåll och Youngs modul av hydrogeler som rapporterats i litteraturen. De visade att genom att mönstra högkristallina regioner, spets- och maskförstärkta PVA-hydrogeler skulle kunna överträffa de befintliga syntetiska hydrogelerna. Materialen kan också bibehålla relativt hög vattenhalt och låg Youngs moduler. Forskarna syftar till att tillämpa denna mönsterstrategi på mycket kristallina områden i olika hydrogelstrukturer för att förbättra prestanda mot trötthet.
På det här sättet, förbättring av hydrogelers anti-trötthetsfrakturprestanda kan bidra till ett antal tillämpningar och forskningsinriktningar inom avancerade material. Inom biomedicinsk teknik, anti-trötthet hydrogeler kan användas för hydrogelbaserade, implanterbara vävnadsersättningar av menisken, ryggradslåda och brosk. Dessa medicinska översättningar kräver mekanisk robusthet för långsiktiga interaktioner med människokroppen. De nyutvecklade hydrogelerna mot trötthet-fraktur kan erbjuda en ny materialplattform för biomedicinska och industriella tillämpningar.
© 2019 Science X Network
