“果冻” 也能监测体温？
图 | 模拟 “果冻” 进入胃部的变化（来源：Xinyue Liu (刘心悦)，Christoph Steiger, Shaoting Lin）
这种 “果冻” 也能直接入嘴，但它并不是小卖铺里的果冻味道，而是一种能监测体温等信号的 “果冻”。
该 “果冻” 的设计以河豚为灵感，并由麻省理工学院（MIT）机械工程学教授赵选贺首次提出和研发出一款可食用水凝胶胶囊，它的外观就像果冻一样，进入体内后能长期监控核心体征例如进食、吃药、温度、pH 值、和消化道病变等。
图 | 在胃部可以长期停留（来源：Xinyue Liu (刘心悦)，Christoph Steiger, Shaoting Lin）
水凝胶胶囊的内部，填充着一种超吸水水凝胶聚丙烯酸钠颗粒，其具有大体积溶胀和快速吸水的能力。
图 | 膨胀能力极强（来源：Xinyue Liu (刘心悦)，Christoph Steiger, Shaoting Lin）
正常状态下，胶囊仅有药丸大小，口服进入胃部，在快速吸水膨胀后，其体积可增加 100 倍左右，并且它能长期滞留胃部。同时，即便在在胃中，它也能保持抗疲劳性和柔软性。
图 | 柔韧性好（来源：Xinyue Liu (刘心悦)，Christoph Steiger, Shaoting Lin）
其一，水凝胶胶囊和胃腔膜可进行柔性接触，从而避免胃腔磨损、或导致胃溃疡等不良反应；其二，水凝胶胶囊可长期抵抗胃酸的化学腐蚀、以及胃腔的机械蠕动。另据悉，给水凝胶胶囊植入温度传感器，还能持续监测胃内温度长达一整月。
图 | 材料制作过程（来源：Xinyue Liu (刘心悦)，Christoph Steiger, Shaoting Lin）
时隔不久，该团队又有新成果，如果说上面的水凝胶胶囊更加偏应用，本次的研究则更加基础化。
本次研究，他们以波士顿大龙虾为启发。龙虾腹部盖着一层半透明薄膜，这是一种既有弹性、又有韧性的薄膜。
图 | 龙虾腹部薄膜是强韧的水凝胶（来源：Pixabay）
这种薄膜也是目前自然界已知最强韧的水凝胶，这种膜的横截面上的几丁质片，以 36 度角堆叠，类似于扭曲的胶合板或螺旋楼梯。这种旋转的分层结构增强了膜的拉伸性能和强度，它能让龙虾弯曲以便在水中游泳。
以此为灵感，赵选贺课题组以龙虾腹部三维纳米纤维结构为灵感，研发出一种兼具强度和抗疲劳性能的纳米纤维水凝胶。
相关论文以 “Strong fatigue-resistant nanofibrous hydrogels inspired by lobster underbelly” 为题发表在 Matter 上。本次研究的共同一作包括美国麻省理工学院博后 Jiahua Ni，博后 Shaoting Lin 和美国雪城大学 Qin Zhao 教授。
图 | 相关论文（来源：受访者）
基于仿生纳米结构的优化设计，提升水凝胶的抗疲劳性能
本次研究中，他们的研究对象是纳米纤维水凝胶，这是动植物体内普遍存有该物质，其具备高含水量、高孔隙率、生物相容性等优点，可用于软骨修复、柔性植入电极和小型生物机器人等。
此前，制备纳米纤维水凝胶的常用方法是静电纺丝法，其好处是能得到可调节的纤维结构、以及相对均匀的纤维直径。
美中不足的是，由于纳米纤维的界面弱、强度低，使用静电纺丝法制备出的纳米纤维水凝胶往往不具备抗疲劳性能。
研究中，赵选贺团队基于仿生纳米结构的优化设计，将纳米纤维水凝胶的疲劳阈值提高了 10 倍。
图 | 强抗疲劳纳米纤维水凝胶（来源：受访者）
在对纳米纤维薄膜进行静电纺丝后，他们将五张薄膜中的每张薄膜以连续的 36 度角堆叠在一起，以形成单一的 bouligand（布林根）结构，然后将它们焊接并结晶以强化材料。
最终产品的尺寸为 9 平方厘米，厚度约为 30 至 40 微米，也就是大约只有一小片透明胶带的大小。
图 | 本次研究的纳米纤维水凝胶（来源：受访者）
拉伸测试表明，这种材料和天然材料的性能相似，能够反复拉伸，同时具有高强度和耐疲劳性能，这主要受益于本次材料中的纳米纤维网络的三维结构设计。
本次论文共同一作、赵选贺课题组的博士后林少挺告诉 DeepTech，实现具有高强度且抗疲劳性能的纳米纤维水凝胶需要同时具备高强度纳米纤维界面和高结晶纳米纤维的双重设计。
图 | 高强度和抗疲劳纳米纤维水凝胶的设计原理（来源：受访者）
在模型材料体系的选择上，他们采用聚乙烯醇（PVA），从而实现纳米纤维结晶度可调、以及界面可调。
为了研究纳米纤维界面和纳米纤维结晶度的影响，赵选贺团队在不同条件下，系统表征了四种纳米纤维水凝胶的力学性能。
如下图所示：
图 | 纳米纤维水凝胶的结构和力学特性（来源：受访者）
第一种纳米纤维水凝胶的结晶度低、界面弱，因此会被分解成孤立的纳米纤维，当浸泡在水中时，无法承受任何机械载荷。
第二种纳米纤维水凝胶的结晶度低、界面强，它们的强度是 4 MPa，但戊二醛的高交联聚合物会给其带来脆性，并导致其断裂，最终拉伸应变仅为 1.2。
第三种纳米纤维水凝胶的结晶度高、界面弱，虽然其拉伸应变可达 2.25，但强度仅为 1.4 MPa。
第四种纳米纤维水凝胶的结晶度高、界面强，其强度可达 3.5 MPa，拉伸应变可达 3.4。
在动态循环载荷下，它们还表征了不同纳米纤维水凝胶的疲劳性能。其中，结晶度高、界面强的纳米纤维水凝胶，其疲劳阈值达到 600 J/m2；而结晶度高、界面弱的纳米纤维水凝胶，其疲劳阈值达只有 320 J/m2。
图 | 水凝胶的抗疲劳性能测试（来源：受访者）
为了模拟纳米纤维网络、在拉伸载荷下的力学响应，该团队还开发出一款纳米纤维网络模型。模拟发现，降低界面强度之后，纤维网络也会更弱，拉伸性也更差。此外，主要是界面强度、而非界面的延伸性会影响纤维网络的力学响应。
图 | 拉伸载荷下纳米纤维网络的模拟（来源：雪城大学 Zhao Qin 教授）
此外，为了解释纤维网络的疲劳阈值、和纳米纤维结构之间的关系，他们还建立了一个理论模型。
图 | 预测纳米纤维状水凝胶网络疲劳阈值的理论模型（来源：受访者）
借助龙虾腹部三维旋转结构
龙虾的腹部软膜正是一种天然水凝胶，即便处于循环载荷下，它的性能也很强，比如断裂韧性是 24.98 MJ/m3，拉伸强度是 23.36 MPa。
随后，他们从仿生学角度出发，通过模仿龙虾腹部的结构和材料，制备出这种纳米纤维水凝胶，其拉伸强度为 8.4 MPa、抗疲劳性为 770 J /m2。
在 1 MPa 的拉伸应力下，该水凝胶无惧长时间循环，即便已经处于干态，也可承受自身 3000 倍的重量；而在溶胀状态下，其具备 40 kJ/kg 的穿透力和抗冲击性能。
图 | 纳米纤维水凝胶的高速微粒冲击试验（来源：受访者）
林少挺表示，水凝胶并不是一种新材料，早在三四十年以前，已经有学者开始研究水凝胶的物理特性、化学特性以及相关应用，此前应用主要局限于组织工程、药物释放等方面。
然而，最近关于水凝胶的疲劳特性研究表明，这些增韧型水凝胶并不具备较好的抗疲劳性能，它们在单次记载下的断裂韧性可以达到 9000 J/m2, 但在多次加载以后，断裂韧性只有 50 J/m2。
如果想要水凝胶在开发新一代柔性电子、可拉伸器件与软体机器人中发挥实际应用价值，那么需要满足的前提条件是，水凝胶能够经历上万次或者上百万次加载后，依然能够保持较高的断裂韧性。
最近三年，赵选贺团队开始开发具有抗疲劳性能的水凝胶，此前已经在水凝胶的抗疲劳设计方向发表了三篇文章。
其中的核心设计思路是引入 “具有高能量的高分子相”，从而有效地阻碍疲劳裂纹的扩展。纳米纤维是一种具有高能量的高分子相。但当时他们并不清楚如何高效地优化这些纳米纤维的三维结构，以实现水凝胶抗疲劳性能的提升。
而本次研究等于提出了更具象化的设计思路，比如，如何去三维调控纳米纤维的形貌，如何去局部设计纳米纤维的结构。
2020 年 8 月，广东队在 CBA 总决赛上喜提十冠王，但在总决赛中，该队的男篮核心易建联，因伤退场，原因是跟腱断裂。此前，刘翔、杜兰特、科比等运动员，都被跟腱断裂困扰过，个人竞争力也因此受到损失。
另据悉，历史上 30 多岁的运动员，在跟腱断裂后又能恢复原状的人少之又少。如果人工肌腱诞生，凭借其具备的抗疲劳性能和拉伸强度，上述现状或许可以得到改善。
谈及未来，林少挺告诉 DeepTech，他们将进一步开展理论研究，通过理论指导，实现软物质在分子尺度的拓扑优化设计。