跟着软骨做水凝胶，力学性能超神，还能智能防护！

摘要：大家知道吗，在材料的世界里，有一种水凝胶，它的设计灵感来自我们身体里的软骨！天然软骨是由软骨细胞和细胞外基质组成的，这细胞外基质的结构就像混凝土一样。其中，胶原蛋白纤维像混凝土里的钢筋，剩下的主要是蛋白聚糖，类似水泥粘合剂。这样的结构让软骨能减少关节表面摩擦，

*本文只做阅读笔记分享*

一、水凝胶的仿生设计灵感

大家知道吗，在材料的世界里，有一种水凝胶，它的设计灵感来自我们身体里的软骨！天然软骨是由软骨细胞和细胞外基质组成的，这细胞外基质的结构就像混凝土一样。其中，胶原蛋白纤维像混凝土里的钢筋，剩下的主要是蛋白聚糖，类似水泥粘合剂。这样的结构让软骨能减少关节表面摩擦，还能缓冲减震。

受此启发，研究人员设计出了BPP水凝胶。在这个水凝胶里，PVA/PEG网络形成的纤维就像钢筋，部分未溶解的PVA颗粒则充当水泥。制备的时候也很有意思，把PVA和PEG按1:1混合，加点水加热搅拌，PEG先溶解，PVA会部分溶解，形成的混合物倒模具里冷冻再解冻，反复拉伸，就得到了有特殊结构的BPP水凝胶。而且，这个过程中形成的小孔和PEG的存在，还能提升水凝胶的导电性，对它在智能防护设备里的应用很有帮助呢。

二、BPP水凝胶的神奇力学性能

研究人员对不同比例的PVA/PEG水凝胶做了好多力学性能测试，发现PVA:PEG为1:1的NPP水凝胶力学性能比较突出，之后就用这个比例来制备BPP水凝胶。

从拉伸测试来看，普通方法制备的NPP水凝胶极限拉伸强度大概是4MPa，而BPP水凝胶能达到10.5MPa，远超NPP水凝胶，也超过了和天然软骨相当所需的8.1MPa。

在压缩测试中，NPP水凝胶的极限抗压强度勉强达到软骨强度下限，表现不太好；但BPP水凝胶通过仿生结构，把极限抗压强度提高到了29.5MPa，完全在软骨相当的范围内。

而且，BPP水凝胶的硬度和天然软骨差不多，抗压模量超过软骨均值，拉伸模量也在软骨相当的范围。

考虑到实际使用场景，研究人员还测试了BPP水凝胶的抗疲劳性。用疲劳测试机让它在10Hz频率下承受84%的压缩应变，28小时大约100万次循环后，它的峰值压缩应力只是降到原来的91.43%，应力-应变曲线还很稳定，说明抗疲劳性很棒。

把BPP水凝胶泡在不同溶液里，像生理盐水、磷酸盐缓冲液、透明质酸/血浆混合溶液，它的力学性能也很稳定，浸泡12小时后，强度、模量和韧性还会提高，30天后也没出现溶解的情况。

三、BPP水凝胶的微观结构奥秘

为了搞清楚BPP水凝胶为什么这么厉害，研究人员从微观、纳米和分子尺度研究了它在合成和拉伸过程中的结构变化。

从光学图像看，BPP水凝胶有纤维纹理和不规则颗粒，和均匀的NPP水凝胶不一样。

用激光共聚焦扫描显微镜观察拉伸后部分断裂的BPP水凝胶，发现表面裂纹会被PVA颗粒阻挡，只能绕着颗粒走。

场发射扫描电子显微镜下，BPP水凝胶内部结构更特别，有密度梯度，PVA/PEG纤维围绕着PVA颗粒排列，靠近颗粒的地方结构致密，远离的地方是纤维网络。

通过原位小角X射线散射和原位广角X射线散射发现，拉伸的时候，BPP水凝胶的层状晶体信号会变成纤维状晶体信号，晶体的取向和结晶度也会变化。

傅里叶变换红外光谱和X射线衍射还证实了PVA和PEG之间有更多氢键，拉伸时结晶度增加，让PVA/PEG纤维链更强，材料弹性更好。

总的来说，BPP水凝胶的强化机制就是氢键和晶区形成让结构更致密。

四、BPP水凝胶的实用性能测试

BPP水凝胶的实际表现到底怎么样呢？研究人员做了原位冲击和摩擦学测试。

在冲击测试中，用分体式霍普金森压力杆以每秒约4.5米的速度冲击AC、NPP水凝胶和BPP水凝胶。

结果发现，AC能吸收大部分冲击能量，NPP水凝胶直接被破坏，而BPP水凝胶不仅能像AC一样有效吸收冲击能量，甚至比AC还好，冲击时传输杆应变片电压一直是零，说明没有冲击传递过去。

而且，BPP水凝胶还很耐切割，用高速摄像机观察，水滴在它表面的接触角很小，很快就被吸收，这意味着它能保持自身的水分和高含水量。

在摩擦学测试里，研究人员用球盘摩擦计测试BPP水凝胶的润滑性能，发现随着测试时间增加，摩擦系数会趋于稳定。增加负载，摩擦系数会略有上升；用生理盐水当润滑剂时摩擦系数比磷酸盐缓冲液和透明质酸/血浆混合物高；滑动频率5Hz时的摩擦系数比1Hz低。

在所有条件下，BPP水凝胶的稳定摩擦系数都比AC与不锈钢之间的低，特别是用透明质酸/血浆混合物当润滑剂的时候。即使经过18000秒的滑动循环，BPP水凝胶仍有很好的润滑性能，磨损后的表面也只是有光滑的沟槽，磨损程度比AC小很多。

五、BPP水凝胶的应用前景

综合来看，BPP水凝胶的性能十分出色。和其他基于PVA/PEG的水凝胶相比，它的模量和强度在软骨相当的范围内，远超大多数现有合成水凝胶，而且制备方法简单又经济。

研究人员把BPP水凝胶应用在智能防护设备上。把它泡在生理盐水中，让它富含离子，从而有高导电性，再用铜箔和绝缘胶带封装成压力传感器。这个传感器在0-50%的应变范围内，检测信号很稳定，线性度高，灵敏度也完全能满足使用要求。经过5500次压缩测试，电阻信号依旧稳定。当受到大的冲击力时，它能快速产生电信号，根据电信号就能评估外力大小。

比如在骑电动车的时候，把BPP水凝胶保护器装在头盔里，遇到危险就能减轻外壳对头部的冲击，外力过大时还能自动报警。研究人员还构建了自动预警智能防护传感系统的原型，用电磁线圈枪发射子弹冲击水凝胶传感器，它能清楚区分不同冲击速度下的电阻变化曲线，响应迅速、稳定性好、抗冲击能力强，在防护传感设备领域潜力巨大。