水凝胶减肥测评（水凝胶也会健身）

逗爷 2023-09-30 21:43:26 222

水凝胶减肥测评（水凝胶也会健身）Jian Ping Gong教授和她的各种各样水凝胶。图片来源：Laboratory of Soft & Wet Matter [1]先简单介绍一下龚剑萍教授。她本科就读于浙大，硕士毕业于日本茨城大学，在世界一流的东京工业大学获得博士学位。她是水凝胶领域的牛人，目前有多篇关于水凝胶的文章被Clarivate Analystics基本科学指标数据库（ESI，原汤森路透知识产权与科技事业）列为过去十年里材料科学领域前1%的文章 [1]。言归正传。本文的主角并不是人类（当然也不是超级英雄），而是一种会“健身”的水凝胶。通过“锻炼”，这种水凝胶只需寥寥数小时就能把目测比它重很多的200 g重物越拉越高，其难度不亚于各位大兄弟实现健身房教练给你制定的目标。知道你们肯定心里有许多问号，那就先看一下这张动图吧。水凝胶在溶液中进行“健身”。图片来源：Science水凝胶的“健身”，就是水凝胶连接着

本文来自X-MOLNews‍‍‍‍

读者中应该有不少大兄弟会在上课、看文献、做实验之余去健身。毕竟，科研工作者除了希望拥有像下面这位一样的大脑：

水凝胶减肥测评（水凝胶也会健身）(1)

还希望拥有像下面这位一样的肉身：

水凝胶减肥测评（水凝胶也会健身）(2)

要实现上述目标，除了先天的基础，还需要后天长期的努力。当然，肉身变强要比大脑变聪明相对容易一些。

言归正传。本文的主角并不是人类（当然也不是超级英雄），而是一种会“健身”的水凝胶。通过“锻炼”，这种水凝胶只需寥寥数小时就能把目测比它重很多的200 g重物越拉越高，其难度不亚于各位大兄弟实现健身房教练给你制定的目标。知道你们肯定心里有许多问号，那就先看一下这张动图吧。

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水凝胶在溶液中进行“健身”。图片来源：Science

水凝胶的“健身”，就是水凝胶连接着重物被拉伸，这和人类健身过程中肌肉的活动很相似。水凝胶通过被多次拉伸，能把比它自身重很多的重物越拉越高。这项成果由日本北海道大学龚剑萍（Jian Ping Gong）教授和Tasuku Nakajima博士等人完成，近期发表在Science 上。

先简单介绍一下龚剑萍教授。她本科就读于浙大，硕士毕业于日本茨城大学，在世界一流的东京工业大学获得博士学位。她是水凝胶领域的牛人，目前有多篇关于水凝胶的文章被Clarivate Analystics基本科学指标数据库（ESI，原汤森路透知识产权与科技事业）列为过去十年里材料科学领域前1%的文章 ^[1]。

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Jian Ping Gong教授和她的各种各样水凝胶。图片来源：Laboratory of Soft & Wet Matter ^[1]

回到正题。这种水凝胶为什么会有这么出色的“健身”效果呢？

这种被研究者们称为“力响应性自生长水凝胶（mechanoresponsive self-growing hydrogel）”的高分子材料是双网络水凝胶（double-network hydrogels），顾名思义，含有两层网络：第一层是硬而脆的聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸）钠盐（PNaAMPS）网络，第二层是软的、可拉伸的聚丙烯酰胺（PAAm）网络，每层网络都共价交联，都以N N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）作为交联剂。此外还含有80%至90%（质量分数）的水。

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双网络水凝胶的结构示意图。图片来源：Science

双网络水凝胶外面的溶液是2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸钠盐（NaAMPS，也就是PNaAMPS的单体）溶液，和MBAA都为0.08 M的水溶液。当水凝胶第1次被拉伸时，水凝胶内部的PNaAMPS网络断裂，断裂处产生机械自由基（mechanoradical）。第1、2次拉伸之间有1小时的间隔时间，在这段时间里，水凝胶外面的溶液渗透到水凝胶里，机械自由基引发NaAMPS进行聚合，形成新的PNaAMPS网络，MBAA依然作为交联剂。水凝胶第2次被拉伸，新的PNaAMPS网络断裂，然后在间隔时间里又形成新的PNaAMPS网络。每次新形成的网络，都使水凝胶变得更“强壮”，从而使水凝胶把重物越拉越高。旧网络的断裂和新网络的形成，与健身过程中旧的肌肉纤维断裂和新的肌肉纤维形成类似，NaAMPS就相当于长肌肉需要摄取的营养物质。（怪不得健身的大兄弟都要疯狂补充蛋白质呢……）

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双网络水凝胶被拉伸后变得更“强壮”的原理。图片来源：Science

每次新形成的网络，不仅使水凝胶变得更“强壮”，还使水凝胶变得更长。看下面这幅图，水凝胶在第2、3次拉伸之前，长度分别是原来长度的1.9倍和2.2倍。

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“锻炼”还使得水凝胶越来越长。图片来源：Science

未连接着重物的水凝胶在含NaAMPS溶液中每次被拉伸后同样变得更“强壮”和更长。它在第2至第4次被拉伸所需的力都比上次有大幅度提高。然而，令人遗憾的是，它在该系统中第5或者第6次被拉伸时会出现断裂的现象，这是因为它内部的PNaAMPS网络过多使它变得太脆。如果增加它的厚度或者PAAm网络的含量，或许可以缓解它在多次被拉伸后变得太脆的现象。对比实验中，水凝胶在氩气气氛中（下图C，Closed system）和水中（下图C，Reference）由于拉伸后不能“吸收”足够的“养分”，因此进行相同的试验后并没有变得更“强壮”，甚至在氩气气氛中还出现了被拉伸所需的力变小的现象。

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