洛杉矶加州大学 加州大学洛杉矶分校材料科学家开发的人工腱材料的显微照片
增强显示细节
图像的真实比例为1厘米宽
信用:段思迪，吴，华，何希敏/加州大学洛杉矶分校 加州大学洛杉矶分校的材料科学家和他们的同事开发了一种新的方法来制造模拟肌腱和其他生物组织的内部结构、拉伸性、强度和耐用性的合成生物材料
研究人员开发了一种双管齐下的方法来增强现有水凝胶的强度，这种水凝胶可用于制造比自然组织坚韧10倍的人造肌腱、韧带和软骨
虽然水凝胶主要含有水，固体含量很少(约10%聚合物)，但它们比凯夫拉尔和橡胶更耐用，这两种材料都是100%聚合物
直到最近发表在《自然》杂志上的这项研究，这种突破在含水聚合物中从未实现
这种新的水凝胶还可以为植入式或穿戴式医疗器械提供涂层，以提高它们的贴合性、舒适性和长期性能
加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院材料科学与工程助理教授、研究负责人何希敏说:“这项研究显示了一条非常有前途的途径，可以制造出与天然生物组织相当甚至更强的人工生物材料。”
水凝胶是一大类内部结构由交叉的聚合物或凝胶组成的材料
它们显示出用作替代组织的前景，无论是暂时封闭伤口还是作为长期甚至永久的解决方案
此外，这种凝胶还可以应用于软机器人和可穿戴电子设备
加州大学洛杉矶分校材料科学家开发的人工腱材料的拉伸试验
测试材料的宽度约为2毫米
信用:华，吴，何希敏/加州大学洛杉矶分校 然而，目前的水凝胶不够坚固或耐用，不足以模拟或替代需要在承重时反复移动和弯曲的组织
为了解决这些问题，加州大学洛杉矶分校领导的团队采用了分子和结构工程相结合的方法，这些方法以前没有一起用于制造水凝胶
首先，研究人员使用了一种叫做“冷冻铸造”的方法——一种凝固过程，产生多孔和浓缩的聚合物，类似于海绵
第二，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
由此产生的新水凝胶具有一系列跨越几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，类似于生物对应物的层次结构，使材料更坚固，更具延展性
正如该团队所展示的，这种通用的方法是高度可定制的，可以在人体内复制各种软组织
显示不同比例的人造腱材料与真实腱的图表
信用:华，吴，何希敏/加州大学洛杉矶分校 研究人员使用了聚乙烯醇，一种已经被美国批准的材料
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食品和药物管理局，来制作他们的水凝胶原型
他们测试了它的耐用性，在30，000次拉伸测试后没有发现任何退化的迹象
在光线下，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
除了生物医学应用之外，由于水凝胶的灵活性，这一进展还可能为手术器械或生物电子器件带来潜力，这些器械或生物电子器件可以运行无数个周期，并且可以对以前无法实现的结构进行三维打印
事实上，该团队证明，这种三维打印水凝胶结构可以转变成其他形状，等待温度、酸度或湿度的变化
作为人造肌肉，它们更有弹性，可以产生巨大的力量
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