Một loại hydrogel composite cho phản ứng cứng trong chế độ biến dạng thấp thông qua hiệu ứng đẩy của tỷ lệ Poisson dương/âm

Science China Materials - Tập 66 - Trang 1941-1948 - 2023
Wei Shi1, Jin Huang1, Tianxu Zhou1, Yichao Xu1, Hao Yan1, Mingjie Liu1,2
1Key Laboratory of Bio-Inspired Smart Interfacial Science and Technology of Ministry of Education, School of Chemistry, Beihang University, Beijing, China
2Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering, Beihang University, Beijing, China

Tóm tắt

Việc áp dụng các hydrogel như là sự thay thế cho các mô chịu tải đã thu hút được nhiều sự chú ý. Khác với các mô chịu tải, có thể chịu đựng các tải trọng phức tạp với sự biến dạng hạn chế, các hydrogel thông thường không thể hiện phản ứng cứng trong chế độ biến dạng thấp do tính chất mềm của chúng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã báo cáo về thiết kế các hydrogel composite lấy cảm hứng từ sự phối hợp giữa các thành phần mềm và cứng trong các mô chịu tải. Thiết kế này với một ma trận mềm (tỷ lệ Poisson dương) và bộ khung cứng (tỷ lệ Poisson âm) có độ cứng cao hơn lần lượt là 18.9 và 4.2 lần so với ma trận và bộ khung. Thay vào đó, sự kết hợp giữa một ma trận mềm và các bộ khung có tỷ lệ Poisson dương cho thấy sự cải thiện hạn chế. Cơ chế cơ bản thông qua hiệu ứng đẩy của tỷ lệ Poisson dương và âm giữa ma trận mềm và các bộ khung cứng đã được tiết lộ bằng cách sử dụng phân tích phần hữu hạn. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về thiết kế tương lai của các hydrogel composite dựa trên hiệu ứng phối hợp của các thành phần mềm và cứng.

Từ khóa

#hydrogel #composite #tỷ lệ Poisson #ứng suất #mô chịu tải

Tài liệu tham khảo

Becker ML, Burdick JA. Introduction: Polymeric biomaterials. Chem Rev, 2021, 121: 10789–10791 Harrington MJ, Fratzl P. Natural load-bearing protein materials. Prog Mater Sci, 2021, 120: 100767 No YJ, Castilho M, Ramaswamy Y, et al. Role of biomaterials and controlled architecture on tendon/ligament repair and regeneration. Adv Mater, 2020, 32: 1904511 Yang F, Zhao J, Koshut WJ, et al. A synthetic hydrogel composite with the mechanical behavior and durability of cartilage. Adv Funct Mater, 2020, 30: 2003451 Visser J, Melchels FPW, Jeon JE, et al. Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres. Nat Commun, 2015, 6: 6933 Xu L, Zhao X, Xu C, et al. Water-rich biomimetic composites with abiotic self-organizing nanofiber network. Adv Mater, 2018, 30: 1703343 Xu X, Jerca VV, Hoogenboom R. Bioinspired double network hydrogels: From covalent double network hydrogels via hybrid double network hydrogels to physical double network hydrogels. Mater Horiz, 2021, 8: 1173–1188 Gong JP, Katsuyama Y, Kurokawa T, et al. Double-network hydrogels with extremely high mechanical strength. Adv Mater, 2003, 15: 1155–1158 Chen Y, Ma Y, Yin Q, et al. Advances in mechanics of hierarchical composite materials. Compos Sci Tech, 2021, 214: 108970 Liu B, Feng X, Zhang SM. The effective Young’s modulus of composites beyond the Voigt estimation due to the Poisson effect. Compos Sci Tech, 2009, 69: 2198–2204 Vogel S. Comparative Biomechanics: Life’s Physical World. Princeton: Princeton University, 2003 Hwa HJ. Could the intraosseous fluid in cancellous bone bear external load significantly within the elastic range?. Proc Inst Mech Eng H, 2004, 218: 375–379 Afghah F, Iyison NB, Nadernezhad A, et al. 3D fiber reinforced hydrogel scaffolds by melt electrowriting and gel casting as a hybrid design for wound healing. Adv Healthcare Mater, 2022, 11: 2102068 Papadopoulou A, Laucks J, Tibbits S. Auxetic materials in design and architecture. Nat Rev Mater, 2017, 2: 17078 Huang C, Chen L. Negative Poisson’s ratio in modern functional materials. Adv Mater, 2016, 28: 8079–8096 Liu B, Zhang L, Gao H. Poisson ratio can play a crucial role in mechanical properties of biocomposites. Mech Mater, 2006, 38: 1128–1142 Zhang XG, Ren X, Jiang W, et al. A novel auxetic chiral lattice composite: Experimental and numerical study. Composite Struct, 2022, 282: 115043 Li T, Chen Y, Hu X, et al. Exploiting negative Poisson’s ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties. Mater Des, 2018, 142: 247–258 Luo HC, Ren X, Zhang Y, et al. Mechanical properties of foam-filled hexagonal and re-entrant honeycombs under uniaxial compression. Composite Struct, 2022, 280: 114922 Okumura T, Takahashi R, Hagita K, et al. Improving the strength and toughness of macroscale double networks by exploiting Poisson’s ratio mismatch. Sci Rep, 2021, 11: 13280 Guo J, Zhang H, Zhang H, et al. Jellyfish tentacle-inspired hydrogel microfibers implanted with discrete structural color microsphere tactile sensing units. Adv Fiber Mater, 2022, 4: 1209–1218 Khan AQ, Yu K, Li J, et al. Spider silk supercontraction-inspired cotton-hydrogel self-adapting textiles. Adv Fiber Mater, 2022, 4: 1572–1583 He W, Di Y, Jiang N, et al. Graphene-oxide seeds nucleate strong and tough hydrogel-based artificial spider silk. Acta Phys Chim Sin, 2022, 38: 2204059 Huang X, Ge G, She M, et al. Self-healing hydrogel with multiple dynamic interactions for multifunctional epidermal sensor. Appl Surf Sci, 2022, 598: 153803 Zhang S, Zhou H, Huang C, et al. A novel corneal adhesive based on functionally coupled PEG-lysozyme hydrogel for wound closure after surgical eye surgery. Chin Chem Lett, 2022, 33: 4321–4325 Bai P, Ma M, Sui L, et al. Nanoconfinement controls mechanical properties of elastomeric thin films. J Phys Chem Lett, 2021, 12: 8072–8079 Treloar, LRG. The Physics of Rubber Elasticity. Oxford: Clarendon Press, 1975 Chen W, Watts S, Jackson JA, et al. Stiff isotropic lattices beyond the Maxwell criterion. Sci Adv, 2019, 5: eaaw1937 Ashby MF. The properties of foams and lattices. Phil Trans R Soc A, 2006, 364: 15–30 Deshpande VS, Ashby MF, Fleck NA. Foam topology: Bending versus stretching dominated architectures. Acta Mater, 2001, 49: 1035–1040 Gibson LJ, Ashby MF (eds.). Cellular Solids: Structure and Properties. New York: Cambridge University Press, 1997 Schaedler TA, Jacobsen AJ, Torrents A, et al. Ultralight metallic microlattices. Science, 2011, 334: 962–965 Yu X, Zhou J, Liang H, et al. Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility: A brief review. Prog Mater Sci, 2018, 94: 114–173 Chen Z, Wu X, Xie YM, et al. Re-entrant auxetic lattices with enhanced stiffness: A numerical study. Int J Mech Sci, 2020, 178: 105619 Peng XL, Soyarslan C, Bargmann S. Phase contrast mediated switch of auxetic mechanism in composites of infilled re-entrant honeycomb microstructures. Extreme Mech Lett, 2020, 35: 100641 Wagner MA, Lumpe TS, Chen T, et al. Programmable, active lattice structures: Unifying stretch-dominated and bending-dominated topologies. Extreme Mech Lett, 2019, 29: 100461