能够进行等长运动的肌肉仿生热机械自适应水凝胶

《Advanced Functional Materials》：Muscle-Mimetic Thermomechanical Adaptive Hydrogels Capable of Isometric Exercise

人工合成肌肉水凝胶通过温敏性聚电解质网络实现等长收缩行为，其力学性能随温度变化呈现可逆增强特性。线性PNIPAM链在低温时松散缠结，受热后（20-30℃）通过氢键和疏水作用形成致密网络结构，在保持 tens of kPa 基础刚度的同时实现近两倍力学性能提升。该材料通过模拟肌肉热致形变机制，实现了收缩-松弛的可逆循环，并表现出与天然肌肉相似的摩擦学特性。

　　

摘要

人体肌肉在受热时表现更佳，因为温度升高会促进肌动蛋白-肌球蛋白交叉桥的形成，从而在长度变化最小的情况下产生更大的等长力。然而，现有的仿生肌肉材料主要关注等张运动，其特点是在外部刺激下长度或体积会发生显著变化。开发能够在温度变化时表现出等长运动特性的柔软且独立的合成水凝胶仍然是一个挑战。本文介绍了一种仿肌肉水凝胶，其设计灵感来源于肌肉在温度变化过程中的结构变化及其相关的热机械适应性。在这种水凝胶体系中，线性聚(N-异丙基丙烯酰胺)链被设计成与聚(乙烯醇)网络相互交织。在低温下，这些线性聚合物链保持松散状态；但随着温度升高，它们会在聚合物网络中聚集，形成强度更高的聚合物复合体，从而产生等长力。这种可逆且可重复的行为使得水凝胶能够动态适应温度变化，表现为机械强度和润滑性/摩擦力在不同温度下的明显变化。这种水凝胶几乎完美地模拟了天然肌肉的特性和行为，在20–30°C的温度范围内，其机械性能提高了近一倍，同时仍保持数十千帕的硬度。

利益冲突

作者声明没有利益冲突