En hummers underbuk är kantad med en tunn, genomskinligt membran som är både stretchigt och förvånansvärt tufft. Detta marina underpansar, som MIT-ingenjörer rapporterade 2019, är tillverkad av den tuffaste kända hydrogelen i naturen, vilket också råkar vara mycket flexibelt. Denna kombination av styrka och stretch hjälper till att skydda en hummer när den klaffar över havsbotten, samtidigt som den låter den böja sig fram och tillbaka för att simma.

Nu har ett separat MIT-team tillverkat ett hydrogelbaserat material som efterliknar strukturen på hummerns underliv. Forskarna körde materialet genom ett batteri av sträck- och slagtester, och visade att liknar hummerunderbuken, det syntetiska materialet är anmärkningsvärt "utmattningsbeständigt, " kan motstå upprepade sträckningar och påfrestningar utan att slita.

Om tillverkningsprocessen kunde skalas upp avsevärt, material gjorda av nanofibrösa hydrogeler skulle kunna användas för att göra stretchiga och starka ersättningsvävnader som konstgjorda senor och ligament.

Teamets resultat publiceras i tidskriften Materia . Tidningens MIT-medförfattare inkluderar postdoktorerna Jiahua Ni och Shaoting Lin; doktorander Xinyue Liu och Yuchen Sun; professor i flygteknik och astronautik Raul Radovitzky; professor i kemi Keith Nelson; professor i maskinteknik Xuanhe Zhao; och tidigare forskaren David Veysset Ph.D. '16, nu vid Stanford University; tillsammans med Zhao Qin, biträdande professor vid Syracuse University, och Alex Hsieh från Army Research Laboratory.

Naturens twist

Under 2019, Lin och andra medlemmar i Zhaos grupp utvecklade en ny typ av utmattningsbeständigt material tillverkat av hydrogel - en gelatinliknande klass av material gjorda främst av vatten och tvärbundna polymerer. De tillverkade materialet av ultratunna fibrer av hydrogel, som passade in som många strängar av samlat halm när materialet upprepade gånger sträcktes. Detta träningspass råkade också öka hydrogelens utmattningsmotstånd.

"Vid det tillfället, vi hade en känsla av att nanofibrer i hydrogeler var viktiga, och hoppades kunna manipulera fibrilstrukturerna så att vi kunde optimera trötthetsmotståndet, säger Lin.

I deras nya studie, forskarna kombinerade ett antal tekniker för att skapa starkare hydrogel nanofibrer. Processen börjar med elektrospinning, en fiberproduktionsteknik som använder elektriska laddningar för att dra ut ultratunna trådar ur polymerlösningar. Teamet använde högspänningsladdningar för att spinna nanofibrer från en polymerlösning, att bilda en platt film av nanofibrer, var och en mäter cirka 800 nanometer — en bråkdel av diametern på ett människohår.

De placerade filmen i en kammare med hög luftfuktighet för att svetsa de enskilda fibrerna till en robust, sammankopplat nätverk, och ställ sedan in filmen i en inkubator för att kristallisera de individuella nanofibrerna vid höga temperaturer, ytterligare förstärkning av materialet.

De testade filmens trötthetsbeständighet genom att placera den i en maskin som sträckte den upprepade gånger över tiotusentals cykler. De gjorde även hack i några filmer och observerade hur sprickorna fortplantade sig när filmerna sträcktes upprepade gånger. Från dessa tester, de beräknade att de nanofibrösa filmerna var 50 gånger mer utmattningsbeständiga än de konventionella nanofibrösa hydrogelerna.

Ungefär vid denna tid, de läste med intresse en studie av Ming Guo, docent i maskinteknik vid MIT, som karakteriserade de mekaniska egenskaperna hos en hummers underliv. Detta skyddande membran är tillverkat av tunna ark av kitin, en naturlig, fibröst material som i smink liknar gruppens hydrogel nanofibrer.

Guo fann att ett tvärsnitt av hummermembranet visade ark av kitin staplade i 36 graders vinkel, liknar vriden plywood, eller en spiraltrappa. Denna roterande, skiktad konfiguration, känd som en bouligandstruktur, förbättrade membranets egenskaper för sträckning och styrka.

"Vi lärde oss att denna bouligandstruktur i hummerunderlivet har hög mekanisk prestanda, som motiverade oss att se om vi kunde reproducera sådana strukturer i syntetmaterial, säger Lin.

Vinklad arkitektur

Ni, Lin, och medlemmar av Zhaos grupp slog sig ihop med Nelsons labb och Radovitzkys grupp i MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies, och Qins laboratorium vid Syracuse University, för att se om de kunde reproducera hummerns bouligand-membranstruktur med hjälp av deras syntetiska, utmattningsbeständiga filmer.

"Vi förberedde justerade nanofibrer genom elektrospinning för att efterlikna de chinic fibrer som fanns i hummerunderbuken, " säger Ni.

Efter elektrospinning av nanofibrösa filmer, forskarna staplade var och en av fem filmer i följd, 36-graders vinklar för att bilda en enda bouligandstruktur, som de sedan svetsade och kristalliserade för att förstärka materialet. Den slutliga produkten mätte 9 kvadratcentimeter och cirka 30 till 40 mikron tjock - ungefär lika stor som en liten bit tejp.

Stretchtester visade att det hummerinspirerade materialet fungerade på samma sätt som sin naturliga motsvarighet, kan sträcka sig upprepade gånger samtidigt som den motstår revor och sprickor – en utmattningsbeständighet Lin tillskriver strukturens vinklade arkitektur.

"Intuitivt, när en spricka i materialet fortplantar sig genom ett lager, det hindras av intilliggande lager, där fibrerna är inriktade i olika vinklar, "Lin förklarar.

Teamet utsatte också materialet för mikroballistiska slagtester med ett experiment designat av Nelsons grupp. De avbildade materialet när de fotograferade det med mikropartiklar med hög hastighet, och mätte partiklarnas hastighet före och efter rivning genom materialet. Skillnaden i hastighet gav dem en direkt mätning av materialets slaghållfasthet, eller hur mycket energi den kan absorbera, vilket visade sig vara en förvånansvärt tuff 40 kilojoule per kilo. Detta antal mäts i hydratiserat tillstånd.

"Det betyder att en 5-millimeters stålkula som skjuts upp i 200 meter per sekund skulle stoppas av 13 millimeter av materialet, "Veysset säger." Det är inte lika resistent som Kevlar, vilket skulle kräva 1 millimeter, men materialet slår Kevlar i många andra kategorier."

Det är ingen överraskning att det nya materialet inte är lika tufft som kommersiella antiballistiska material. Det är, dock, betydligt robustare än de flesta andra nanofibrösa hydrogeler som gelatin och syntetiska polymerer som PVA. Materialet är också mycket stretchigare än Kevlar. Denna kombination av stretch och styrka tyder på att, om deras tillverkning kan påskyndas, och fler filmer staplade i bouligandstrukturer, nanofibrösa hydrogeler kan fungera som flexibla och sega konstgjorda vävnader.

"För att ett hydrogelmaterial ska vara en lastbärande konstgjord vävnad, både styrka och deformerbarhet krävs, "Säger Lin." Vår materialdesign kan uppnå dessa två egenskaper. "