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材料科学家展示了用改良的水凝胶制造耐久的人造肌腱的方法
2021年05月17日    阅读量:     新闻来源:中国塑料网 vlevle.com  |  投稿

加州大学洛杉矶分校的材料科学家和他们的同事们已经开发出一种新的方法来制造合成生物材料,该材料可以模仿肌腱和其他生物组织的内部结构,拉伸性,强度和耐用性。


研究人员开发了一种两管齐下的方法来增强现有水凝胶的强度,这些水凝胶可用于制造比天然组织坚韧10倍的人造腱,韧带和软骨。尽管水凝胶主要包含很少固形物(约10%的聚合物)的水,但它们比100%聚合物的凯夫拉尔和橡胶更耐用中国塑料网vlevle.com


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直到最近发表在《自然》上的这项研究,在含水聚合物中都从未实现过这种突破。新的水凝胶还可以为植入式或可穿戴医疗设备提供涂层,以改善其贴合性,舒适性和长期性能。


加州大学洛杉矶分校萨穆里分校工程学院材料科学与工程学助理教授何希敏说:“这项工作显示出一种非常有希望的途径,使人造生物材料与天然生物组织相提并论,甚至要比天然生物组织强。”


水凝胶是一类广泛的材料,其内部结构由交叉聚合物或凝胶组成。它们显示出有望用作替代组织,以暂时闭合伤口或作为长期甚至永久性解决方案。另外,凝胶可用于软机器人和可穿戴电子设备。


但是,当前的水凝胶强度不足或不能持久耐用,无法模仿或替代需要承受重量而反复运动和弯曲的组织。为了解决这些问题,由UCLA领导的团队采用了分子和结构工程方法的组合,这种方法以前并未一起用于制造水凝胶。


首先,研究人员使用了一种称为“冷冻浇铸”的方法-一种凝固过程,产生类似于海绵的多孔且浓缩的聚合物。其次,他们使用“盐析”处理将聚合物链聚集并结晶成坚固的原纤维。所产生的新型水凝胶具有一系列跨越多个不同尺度的连接结构-从分子水平到几毫米。这些多重结构的层次结构类似于生物对应结构,使材料更坚固,更易拉伸。


正如该团队所证明的那样,这种通用方法是高度可定制的,并且可以在人体中复制各种软组织。


研究人员使用聚乙烯醇(一种已经获得美国食品和药物管理局批准的材料)制造水凝胶原型。他们测试了它的耐用性,在30,000次拉伸测试后没有发现变质的迹象。在光照下,新的水凝胶产生了逼真的微光,类似于真实的肌腱,证实了凝胶中形成的微/纳米结构。


除了生物医学应用外,由于水凝胶的灵活性,这种进步还可能为操作无数次循环的外科手术机器或生物电子学以及以前无法实现的3D打印带来潜力。实际上,该团队证明了这种3D打印的水凝胶架构可以转变成其他形状,以适应温度,酸度或湿度的变化。它们充当人造肌肉,弹性更大,可以施加很大的力量。


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