广西壮族自治区鑫世新材料股份有限公司:MIT海归开创软材料新型仿生设计,力学性能堪比人体组织|专访

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软材料的疲劳破坏,是一个困扰材料、机械、力学、器件等多学科发展的难题,多年来一直未得到解决。传统高韧性凝胶的抗疲劳特性都很差,在多次循环加载下会发生疲劳断裂,其疲劳阈值只有 10-100 J/m2。而疲劳断裂是影响水凝胶基结构生物材料寿命的主要因素之一,因此如何设计抗疲劳水凝胶仍是迄今软材料领域的一大难题。

受启发于人体组织的结构性能关系,南方科技大学机械与能源工程系助理教授刘吉开创性地提出软材料的极限性能设计理念,并首次实现了抗疲劳人工生物材料和界面的构建,解决人体技术领域相关材料的设计与制造问题。

正是凭借上述优异的研发成果,刘吉成功入选 “35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35)2020 年中国区榜单,获奖理由为通过仿生手段,实现面向人体技术的软材料设计与制造。

图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者刘吉

开创性提出抗疲劳水凝胶设计与界面粘合原理

刘吉于 2019 年 9 月加入南方科技大学机械与能源工程系,任助理教授、博士生导师并独立建组开展研究工作。此前,曾于 2013 年底在波尔多大学(法国)和列日大学(比利时)分别获得凝聚态材料物理化学和化学博士学位,2014-2019 年先后在剑桥大学(英国)、在麻省理工学院(美国)和哈佛医学院(美国)从事博士后研究。主要研究领域为软材料的极限性能设计、仿生软材料、仿生界面、软材料 3D 打印以及功能软材料在人机交互界面上的应用等。

多年的海外求学、丰富的多学科交叉研究等相关经历,为刘吉从事这类研究提供了坚实的基础。近年来,在 Science Advances、Nature Communications、Accounts of Chemical Research、PNAS 等期刊上发表文章 40 余篇。先后获得玛丽居里学者、日本高分子凝胶协会青年学者奖、深圳市海外高层次海外留学人才和广东省 “珠江人才计划” 引进高层次人才等奖励。

众所周知,常用的医学电子器件和产品大多由金属、硅、陶瓷、玻璃和工程塑料组成,它们坚硬易碎且无法与生物组织直接相容。与之相反,人体器官或者说是生物组织 (如大脑、心脏和肌肉等) 大多柔软且富含水分,并且能够承受每年几百万次兆帕级的应力而不发生破坏。

以人体软骨为例,内部基质呈凝胶状态,具有较大韧性,因此尽管软骨内部水分占比高达 80%,但其抗压强度却不可小觑,不但可以轻松承受身体自重,还能承受住各种剧烈运动对关节的考验。

同样具有较高的含水量 (70-80%) 还有肌肉组织,它们每年需要承受的应力加载高达百万次兆帕量级,但疲劳阈值仍能保持在 1000J/m2 以上,这就是因为天然肌肉具备高强度、抗疲劳性、柔软以及高含水量等综合性能。

而能够大量吸水并呈现果冻状物质的水凝胶材料,因为和生物组织在结构和组成上有着高度的相似性,放入人体内不会引发排异反应,所以被广泛认为是人机交互界面的理想材料之一。但是大部分水凝胶的弹性和韧性都不好,使得稳定高效的人机交互界面很难构筑,大大限制了应用范围。

值得一提的是,就是在麻省理工学院机械工程系赵选贺教授实验室做博士后期间,2019 年 1 月,刘吉以共同第一作者身份在 Science Advances 杂志上发表论文,标题为 Anti-fatigue-fracture hydrogels,受启发于肌肉组织的结构性能关系,他们开创性地提出了抗疲劳水凝胶的设计原理:让疲劳裂纹在扩展中遇到并且破坏比一层高分子链强韧很多的物质,例如纳米晶域或者纳米纤维结构。

基于这一设计原理,他们实现水凝胶材料(如聚乙烯醇)在溶胀平衡状态下的疲劳阈值可以超过 1000 J/m2。这也是首次实现水胶体系疲劳阈值达 1000 J/m2,突破 Lake-Thomas 理论极限。

这类抗疲劳水凝胶可被进一步设计成可食用水凝胶电子,其优异的抗疲劳特性和化学/机械稳定性,使得这类水凝胶电子能够在长达一个月的时间内抵抗胃腔的机械蠕动和胃酸的化学腐蚀,实现重要的生理信号的在线监测。

图 | 抗疲劳软材料设计理念

2019 年 5 月,刘吉再次以共同第一作者身份在《美国科学院院报》(PNAS)发表了一篇题为 Muscle-like fatigue-resistant hydrogels by mechanical training 的论文,论文称骨骼肌具有高抗疲劳性能(1000 J/m2)、高强度(1 MPa)、低杨氏模量(100 kPa)、高含水量(70 ~ 80 wt %)的组合性能,这些是合成水凝胶所不能实现的。他们提出了一种机械训练的策略,实现水凝胶内部纳米纤维的有序取向排列,进而得到力学性能可媲美人体肌肉的水凝胶材料。

通过共聚焦显微镜观察水凝胶的断裂过程发现,与无定形聚合物链相比,排列整齐的纳米纤维断裂需要更高的能量,能够有效抵抗疲劳引起的裂纹扩展。同时,结合 3D 打印构筑技术,他们成功实现面内各向同性的抗疲劳、高强度和柔软的水凝胶材料。

图 | 类肌肉仿生水凝胶

在上述工作的基础上,抗疲劳软材料设计理念已被广泛认可和应用,然而如何设计具有抗疲劳断裂的水凝胶粘接仍旧是软材料领域一个亟待解决的难题。

受启发于这类结缔组织与骨头的抗疲劳黏合界面结构,刘吉再次以共同第一作者身份在Nature Communications 期刊上发表了论文,标题为 Fatigue-resistant adhesion of hydrogels,提出了抗疲劳水凝胶界面粘接的原理:在粘接界面引入高能量单元例如有序纳米晶域,以限制疲劳裂纹的扩展,实现了界面疲劳阈值达 800 J/m2 以上,远远高于现有的软软材料粘合体系。

图 | 媲美肌腱 - 骨骼界面的水下软材料抗疲劳粘合

对于刘吉取得的一系列研发成果,MIT 软材料领域领军人物赵选贺评价道,“刘吉博士是软材料设计与制造领域的青年领袖,在软材料设计、软材料力学和 3D 打印等领域都取得了非常突出的成果。他关于界面粘合的抗疲劳研究为新兴软材料科技应用于水凝胶电子、人工植入材料和生物医用器件奠定了基础。我相信在不久的未来,刘吉博士会迅速成长为软材料设计与制造领域的青年科学家代表,通过他在该领域的不断耕耘来,推动社会和新型科技的快速发展。”

未来进一步扩展软材料的应用场景

的确,从始至终刘吉的研究都主要集中在效仿生物组织的构筑方式,设计并制造出媲美人体组织机械性能的生物材料,并推广至人体技术领域,如可穿戴设备或可植入电子,以及脑机接口等。

那么,为什么要选择这个研究领域呢?刘吉告诉《麻省理工科技评论》中国,因为这个研究领域近年来非常活跃,除了人们熟知的生物支架,软材料的应用已经拓展到传感器、驱动器、表面涂层和生物电子器件等各种场景中,甚至现阶段非常前沿的人体技术类研究。传统金属类电子材料的植入,会面临与人体组织在力学、电学、生物学等多方面的不匹配,导致使用过程中极易失效。而水凝胶类软材料与生物组织在结构和组成上高度相似,不存在免疫排斥、血液凝集、蛋白质吸附等各种不良反应,被认可为应用于人体技术的理想人工生物材料之一。

“传统软材料体系极易发生疲劳破坏而失效,因此很难用于相关的应用场景。材料使用过程中一旦出现裂纹,这些裂纹会随着时间慢慢扩展以至发生疲劳断裂,” 刘吉表示, “所以,这类生物材料在长久使用过程中结构和性能的稳定性 (比如抗疲劳特性),是一个至关重要的研究方向,”

在刘吉的设想中,将来还会发展水凝胶类材料的 3D 打印制造,希望能将现有软材料设计与制造技术、新的传感技术、新型增材制造技术等结合,实现功能器件的一体化设计、制备和功能化,以扩展其应用场景。比如,这类软材料器件可作为嵌入式或体外粘附式传感器,为体内外信号监测与预警,并且为个性化医疗器械和康复治疗等应用领域开辟全新的道路。同时,借力大数据、云计算、物联网等技术与互联网的跨界融合,推动智能化的疾病预防、诊断与治疗、以及个性化医疗等。

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