受龙虾腹部结构启发 科学家开发或可用作人造肌腱的螺旋形材料

　　对龙虾腹部复杂结构的新认识为麻省理工学院（MIT）的工程师们提供了一种坚韧而有弹性的新型水凝胶的模型。这种材料模仿了龙虾腹部的螺旋结构，使其具有很强的耐久性和抗撕裂性，创造者希望它能被用作人造韧带和肌腱。

　　这种新材料是平行研究的结果，其中之一是机械工程教授赵煊赫正在进行的水凝胶开发。赵煊赫团队的研究人员一直在研究抗疲劳水凝胶，它由水和交联聚合物制成，由像一束稻草一样排列的超细纤维组成。这使它们能够承受反复的拉伸和拉扯而不发生撕裂。

　　与此同时，麻省理工学院的另一组科学家最近发表了描述龙虾腹下机械特性的研究。这种保护膜的横截面显示了由天然聚合物甲壳素制成的薄片，它们以36度角相互堆叠，很像一个螺旋形的楼梯。这被称为bouligand结构，研究人员说这是该膜的自然伸展性和强度的关键。

　　研究报告作者林少挺说：“我们了解到龙虾腹部的这种bouligand结构具有很高的机械性能，这促使我们看看是否能在合成材料中再现这种结构。”

　　科学家们合作使用抗疲劳水凝胶重新创造了这种结构。这涉及到使用电纺技术创建直径约为800纳米的超细线，这些线被捆绑在一起形成平坦的薄膜，并在一个高湿度室中焊接，然后在培养箱中结晶。

　　然后将这些薄膜中的五个叠在一起，每个叠成36度角，形成螺旋状的bouligand结构。这堆薄膜再次被焊接和结晶，以加强材料并形成一个水凝胶，其大小与一小块苏格兰胶带差不多。

　　拉伸测试显示，水凝胶与天然龙虾腹膜一样具有抗撕裂和抗裂的能力。科学家们还在薄膜上做了一些缺口，以观察裂缝在经历拉伸时可能如何传播，有角度的结构似乎包含了损害，并导致材料的抗疲劳性比传统纳米纤维水凝胶高50倍。

　　林少挺解释说：“从直觉上讲，一旦材料中的裂纹在一层中传播，它就会受到相邻层的阻碍，这些层中的纤维以不同角度排列。”科学家们还使用微小的微粒子进行了冲击测试，以高速向材料发射。这显示了高抗冲击性，或能量吸收，每公斤材料有40千焦耳。

　　研究作者David Veysset说："这意味着一个以每秒200米的速度发射的5毫米的钢球将被13毫米的材料所阻止。它不像凯夫拉那样有抵抗力，凯夫拉需要1毫米，但这种材料在其他许多方面都胜过凯夫拉。"

　　伸展性是这种水凝胶胜过凯夫拉的一个类别。科学家们认为，这一点，加上其出色的强度，有一天可以看到它被用作灵活和耐用的人造组织，如韧带和肌腱。这将需要大幅提高制造工艺，尽管该团队对这种可能性感到兴奋。

　　林少挺说：“要使水凝胶材料成为承重的人工组织，既要有强度，又要有变形能力。我们的材料设计可以实现这两个特性。”

　　这项研究发表在《 Matter》杂志上。