近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授刘吉合作研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications，IF:12.353）上发表最新研究成果，揭示抗疲劳水凝胶界面粘接的原理。这一普适设计原理可进一步用于指导开发具有长期使用价值的水凝胶设备和器械，如水凝胶涂层、人工关节等。

    水凝胶材料与生物组织在结构和组成上有高度相似性，被认为是人机交互界面的理想材料之一。虽然研究人员已经实现水凝胶与各类基底材料的高韧性粘接(界面韧性大于1000 J/m²)，但这类高韧性界面在多次循环加载下依然会发生疲劳断裂，使得其界面疲劳阈值只有1-100 J/m²。如何设计能够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。

抗疲劳水凝胶粘接的设计原理：在粘接界面引入有序纳米晶域以限制疲劳裂纹的扩展

    人体的结缔组织，如韧带、肌腱和软骨，都能与骨头形成高强度和高韧性的连接，且界面疲劳阈值达800 J/m²以上。受这类抗疲劳黏合机制启发，刘吉与麻省理工学院（MIT）赵选贺教授团队合作，提出了抗疲劳水凝胶界面粘接的原理：在粘接界面引入有序纳米晶域以限制疲劳裂纹的扩展。

    该团队选用了常见的医用聚合物聚乙烯醇(PVA)，通过冷冻解冻和干燥-退火的处理，提高纳米晶域在垂直界面方向的有序度，从而实现该粘接界面的疲劳阈值达到800 J/m²。与此同时，该团队还通过30000次的循环剥离实验进一步验证了这种界面的超高疲劳阈值。

在800 J/m²能量释放率下该材料的30,000次循环剥离实验

此外，这种抗疲劳水凝胶粘接的设计原理还可以与其他加工方法联合使用，如浸涂法。这一方法可以在不同材质和不同几何结构(玻璃光纤、玻璃管、不锈钢弹簧、树叶状橡胶、金属球窝关节)引入均匀的抗疲劳水凝胶涂层(厚度～20μm)。

多种材料复杂结构的抗疲劳水凝胶涂层

    由于水凝胶特有的高含水量、低摩擦系数等优势，抗疲劳水凝胶涂层的引入能有效降低金属基底的摩擦系数和磨损系数。通过水凝胶和金属关节的高强度高韧性和抗疲劳黏合，为实现水凝胶作为人造软骨材料提供可能。

    刘吉为该论文第一作者，南方科技大学为论文第一单位。合作作者包括MIT博士后林少挺、博士生刘心悦和雪城大学助理教授Zhao Qin等，MIT教授赵选贺为论文通讯作者。该项目获得南科大-MIT机械工程联合教育科研中心的支持。

论文连接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14871-3

供稿单位：机械与能源工程系

编辑：刘馨

主图设计：丘妍