大家好！今天咱们来了解一篇自修复水凝胶研究——《Role of hierarchy structure on the mechanical adaptation of self-healing hydrogels under cyclic stretching》发表于《SCIENCE ADVANCES》。大家知道，在组织工程等领域，软材料的机械适应性非常关键。循环拉伸对我们人体有影响，那对合成水凝胶呢？这里面层次结构的作用还不清楚。就像一场神秘之旅，我们将跟随研究者的脚步，通过一系列实验，揭开自修复水凝胶在循环拉伸下，其层次结构如何影响机械适应的神秘面纱，一起开启这场知识探索之旅吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
循环拉伸对人类来说是一种有效的体育锻炼方式，能增加肌肉和肌腱对变形的顺应性，但过度训练会损伤生物组织。合成水凝胶在组织工程应用中需具备机械适应性，然而此前对其在大变形范围内的机械适应研究较少，尤其是循环拉伸对其结构演变和动力学影响的理解不足。自修复水凝胶虽有潜力，但多数结构简单，记忆效应可忽略，与具有层次结构的肌肉和肌腱不同。本研究旨在探究层次结构对自修复水凝胶在循环拉伸下机械适应的作用。
二、材料与实验设计
（一）模型材料
采用强相分离的聚两性电解质（PA）水凝胶（s-PA），其由带相反电荷的离子单体随机共聚而成，具有独特的多层次结构，包括约1nm的动态离子键瞬态网络、约10nm的永久聚合物网络和约100nm的双连续硬/软相网络。双连续硬/软相网络由库仑和疏水相互作用驱动，离子键赋予自修复性能，这种层次结构使其能对重复机械刺激产生多尺度结构变化和时间响应。
（二）实验设置
对s-PA凝胶进行循环加载实验，采用纯剪切几何形状的无缺口样品，在拉伸试验机上以1s⁻¹的标称应变率连续循环训练Ntr=104次，预设最大拉伸比λtr范围为1.7到7.1，涵盖不同变形条件。循环训练后休息不同时间t rest，再重新加载以检测恢复效率，实验在24°C湿度室中进行，防止样品脱水。同时对弱相分离PA凝胶（w-PA）和无相分离结构的聚（乙二醇苯基醚丙烯酸酯）（PPEA）弹性体进行对比实验。
三、实验结果
（一）循环加载和休息的训练与脱训练
1、训练中的变化
在λtr=3.7时，观察到s-PA凝胶的加载-卸载曲线随训练周期Ntr演变，训练初期出现剧烈软化，随后趋于稳定，这一现象称为“安定”。例如，在Ntr≈1000次循环前，剩余拉伸比λres较大，之后变化减小。
2、脱训练的恢复
休息后，加载-卸载曲线逐渐恢复。通过Wex（特定变形所需能量）和λres量化发现，训练中Wex下降，λres上升；脱训练时，Wex迅速恢复后逐渐趋近于0.8，λres则恢复到1.0，表明凝胶形状恢复快于柔量恢复。
3、结构演变
原位SAXS跟踪结构演变，未变形样品的二维SAXS图案为各向同性环，加载时变为水平方向的拉长斑点，卸载时恢复为椭圆，且一维方位扫描轮廓变化表明双连续相网络在加载时变形为高度各向异性结构，卸载时大部分恢复。随着训练周期增加，未加载样品的一维方位扫描轮廓变窄，ΔΨ1/2减小，表明各向异性结构保留更好，且在λtr<λaffine时相网络变形遵循仿射变形，λaffine<λtr<λc时发生非仿射变形，硬相网络受损。
（二）层次结构对循环训练行为的影响
对比实验发现，s-PA凝胶在高拉伸比下能承受循环训练，如在λtr=8.5时可持续Ntr=104次循环，在λtr=9.1（接近软相网络损伤起始的）时才断裂；而w-PA凝胶在λtr=1.6时数千次循环内就断裂。PPEA弹性体也表现出较差的抗断裂性。这表明双连续相分离的层次结构在循环拉伸抗断裂中起关键作用。
（三）训练-脱训练动力学
1、Prony级数拟合分析
用广义Maxwell模型（Prony级数）分析s-PA凝胶Wex和λres与Ntr的关系，发现Wex的演变曲线用三项Prony级数可拟合，而PPEA弹性体用两项即可，且PPEA弹性体的恢复时间比s-PA凝胶短一到两个数量级，表明其缺乏长期适应和记忆。
2、特征训练周期与时间
从拟合中得到的三个特征训练周期N1（~1）、N2（~20）和N3（~1000），分别对应短尺度离子断裂、瞬态网络局部适应和硬相网络适应。N3在λtr<λaffine时随λtr增加而减小，之后趋于恒定，表明与硬相网络相关，硬相网络损伤会使训练效果加速停止。λres的特征训练周期对λtr依赖性小。
3、脱训练时间特征
脱训练过程中，Wex的特征脱训练时间τf,i在λaffine<λtr<λc时增加，且比特征训练时间τi大约一个数量级，表明Wex有不对称动力学，归因于硬相网络的慢动力学；λres的特征脱训练时间τf,2和τf,3与τ2和τ3几乎相同，τ1在λaffine<λtr<λc时略大于τf,1，表明λres更像对称动力学，归因于软相网络的快动力学。
（四）训练、过度训练和脱训练对疲劳抗性的影响
1、训练强度的影响
训练强度影响疲劳抗性，如在λtr=2.9<λaffine训练的样品，裂纹生长受抑制；而在λtr=3.7>λaffine训练的样品，出现过度训练，裂纹快速扩展直至断裂。轻度过度训练（λtr=3.7，Ntr=2000）的样品，休息55小时后，加载-卸载曲线和疲劳抗性几乎完全恢复。
2、致命过度训练
当λtr=7.1（远大于λaffine）时发生致命过度训练，休息10天后，应力软化仍存在，表明硬相网络永久受损，疲劳抗性显著降低。
3、能量释放率与裂纹扩展速率
不同训练和休息历史的样品能量释放率Gload和Gunload相似，但裂纹扩展速率不同。这可能归因于PA凝胶的快速机械适应特性、离子键在高应变率下对能量释放率的贡献以及局部能量与施加能量释放率的差异。
四、讨论与结论
（一）研究发现总结
表明具有层次结构的自修复水凝胶在循环拉伸下表现出有效训练、过度训练和脱训练行为。循环训练条件不同影响硬软相网络状态，层次结构使水凝胶在循环拉伸时能承受高变形，接近单调拉伸的断裂极限，且具有长期适应和记忆效应。能量耗散适应取决于硬相网络，形状适应取决于软相网络，训练/脱训练中柔量变化不对称，凝胶形状变化更对称。
（二）研究意义与展望
揭示的循环训练适应机制为开发长期机械适应的软材料提供了重要见解，有助于推动软材料在组织工程等领域的应用发展。未来研究可进一步探究温度等因素对水凝胶机械适应的影响，以及如何更精准地调控层次结构以优化材料性能。
五、一起来做做题吧
1、循环拉伸对人体的影响不包括以下哪一项？（ ）
A. 增加肌肉和肌腱对变形的顺应性
B. 对生物组织造成损伤（过度训练时）
C. 使合成水凝胶的断裂拉伸比显著提高
D. 与肌肉和肌腱的日常活动中的机械适应现象相关
2、本实验中选择强相分离的 PA 水凝胶（s - PA）作为模型材料的主要原因是（ ）。
A. 它具有简单的网络结构，便于研究
B. 其由多种离子单体随机共聚而成，成分复杂
C. 它具有独特的多层次结构，能对重复机械刺激产生多尺度结构变化和时间响应
D. 它在以往研究中已被广泛应用，数据丰富
3、在s - PA凝胶循环训练过程中，当λtr=3.7时，加载-卸载曲线在训练初期出现剧烈软化，随后趋于稳定，这一现象被称为（ ）。
A. 疲劳
B. 自恢复
C. 安定
D. 相分离
4、对比实验中，以下哪种材料在循环拉伸下的抗断裂性最差？（ ）
A. 强相分离的 PA 水凝胶（s - PA）
B. 弱相分离 PA 凝胶（w - PA）
C. 聚（乙二醇苯基醚丙烯酸酯）（PPEA）弹性体
D. 无法确定
5、用广义 Maxwell 模型（Prony 级数）分析 s - PA 凝胶Wex与训练周期Ntr关系时，发现其演变曲线需要用几项 Prony 级数拟合？（ ）
A. 一项
B. 两项
C. 三项
D. 四项
6、在对训练后的 s - PA 凝胶进行疲劳测试中，发现不同训练和休息历史的样品（ ）。
A. 裂纹扩展速率相同，能量释放率不同
B. 裂纹扩展速率不同，能量释放率相同
C. 裂纹扩展速率和能量释放率都相同
D. 裂纹扩展速率和能量释放率都不同
参考文献：
Xueyu Li et al. Role of hierarchy structure on the mechanical adaptation of self-healing hydrogels under cyclic stretching. Sci. Adv.9,eadj6856(2023).
