目前，雖然通過將堅韌水凝膠的聚合物鏈共價錨固在固體表面上，可以實現水凝膠與工程材料之間的牢固粘連，但是，在多次機械負荷循環后，這種強硬的水凝膠粘連會遭受疲勞破壞，由此產生的界面疲勞閾值只有1–100 J m-2。
在自然界中，肌腱，韌帶和軟骨與骨的粘附通常通過過渡界面實現，如圖1所示，從未鈣化的膠原納米纖維（i）到鈣化的膠原納米纖維（ii）到骨（iii）。在界面（ii）處，對齊的膠原納米纖維和有序的羥基磷灰石納米晶體的納米結構復合物錨定在骨上，導致肌腱、韌帶和軟骨與骨的抗疲勞粘連。
圖1.軟結締組織抗疲勞粘連
因此，在許多動物的骨骼上，軟結締組織（肌腱、韌帶和軟骨）的粘附可以在數百萬次機械載荷循環中保持高韌性（∽800J m?2）。但合成水凝膠與工程材料之間尚未實現這種抗疲勞粘連，但對于各種應用（如人造軟骨和肌腱、堅固的防污涂層和水凝膠機器人）來說，是非常需要這種抗疲勞粘連的。
成果簡介：
有鑒于此，受肌腱/韌帶/軟骨和骨骼之間納米結構界面的啟發，麻省理工學院趙選賀和華中科技大學臧劍鋒等人將合成水凝膠的有序納米晶結構域結合到工程材料上，由此產生抗疲勞的粘合，界面疲勞閾值為800J m?2，這是因為與無定形聚合物鏈相比，界面處的疲勞裂紋擴展需要更高的能量來破壞有序的納米結構。
圖2.合成水凝膠的抗疲勞粘附
機械性能測試
研究人員選擇聚乙烯醇（PVA）水凝膠作為模型材料系統，其可以容易地形成具有可調節結晶度的納米結構（例如納米晶體域和納米原纖維）。然后通過干退火處理將納米晶體域錨定在固體基底上。通過標準的90°剝離測試表明，水凝膠和基底之間產生顯著的抗疲勞粘合，界面疲勞閾值為800 J m-2。
此外，在去離子水中浸泡90天后，抗疲勞水凝膠的粘合力表現出長期穩定性，并具有一致的界面韌性和界面疲勞閾值。除玻璃外，抗疲勞水凝膠粘合力還適用于多種固體基材，包括陶瓷，鈦，鋁，不銹鋼 W，PU和PDMS。
圖3. 機械表征
抗疲勞水凝膠粘附的機理
研究人員通過表面掠入射小角X射線散射試驗和全原子分子動力學（MD）模擬，表明在界面上和整體水凝膠內部引入納米晶域可協同確保水凝膠-固體界面具有極高的抗疲勞性。
圖4.分全原子分子動力學（MD）模擬
應用：
該方法可以在具有復雜幾何形狀的多種工程材料上制備抗疲勞水凝膠涂層。而且進一步證明，抗疲勞水凝膠涂層對天然軟骨表現出低摩擦和低磨損。
圖5.復雜幾何形狀材料上的抗疲勞水凝膠涂層
參考文獻：
Liu,J., et al. Fatigue-resistant adhesion of hydrogels. Nat Commun 11, 1071 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3
