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Concentric ice-templating of ultracompressible tough hydrogels with bioinspired circumferentially aligned architecture

自愈水凝胶 材料科学 极限抗拉强度 仿生学 复合材料 各向同性 纳米技术 量子力学 物理 高分子化学
作者
Wenxi Gu,Shuqi Yang,Dazhe Zhao,Yiwei Zou,Chonghao Chen,Peiqi Niu,Xiangyu Liang,Chi Tat Kwok,Bingpu Zhou,Chunming Wang,Yan Yan Shery Huang,Ji Liu,Iek Man Lei
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (25): eadv7786-eadv7786 被引量:8
标识
DOI:10.1126/sciadv.adv7786
摘要

Materials with circumferentially aligned fibers, such as intervertebral discs and arteries, are abundant in nature but challenging to replicate artificially, despite their mechanical advantages. Although ice-templating can create bioinspired materials, the achievable structures remain limited to simple forms, such as honeycomb, lamellar, and radial structures. Here, we developed a unique ice-templating technique that constructs circumferential fibrous structures in hydrogels through slow freezing. Enhanced with rotary compression annealing, these hydrogels exhibit record-breaking features that cannot concurrently be achieved in conventional ice-templated and top-performing tough hydrogels, including high tensile properties, isotropic fatigue threshold of 2320 joules per square meter, ultracompressibility (8% strain after 500 cycles), and extraordinary burst pressure of 1.6 bar while maintaining 85 weight % water content. These properties enable opportunities in robotics, including hydrogel pneumatic grippers and an untethered bioinspired robotic fish that exhibits high-force actuation and long-term robustness. Our approach enriches the diversity of bioinspired structures in artificial materials, establishing exceptional mechanical properties through cross-length scale structural design.
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