35歲MIT海歸博士後開創軟材料新型仿生設計，力學性能堪比人體組織

軟材料的疲勞破壞，是一個困擾材料、機械、力學、器件等多學科發展的難題，多年來一直未得到解決。傳統高韌性凝膠的抗疲勞特性都很差，在多次循環加載下會發生疲勞斷裂，其疲勞閾值只有 10-100 J/m2。而疲勞斷裂是影響水凝膠基結構生物材料壽命的主要因素之一，因此如何設計抗疲勞水凝膠仍是迄今軟材料領域的一大難題。

受啟發於人體組織的結構性能關係，南方科技大學機械與能源工程系助理教授劉吉開創性地提出軟材料的極限性能設計理念，並首次實現了抗疲勞人工生物材料和界面的構建，解決人體技術領域相關材料的設計與製造問題。

正是憑藉上述優異的研發成果，劉吉成功入選 「35 歲以下科技創新 35 人」（Innovators Under 35）2020 年中國區榜單，獲獎理由為通過仿生手段，實現面向人體技術的軟材料設計與製造。

圖 | 《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單入選者劉吉

開創性提出抗疲勞水凝膠設計與界面粘合原理

劉吉於 2019 年 9 月加入南方科技大學機械與能源工程系，任助理教授、博士生導師並獨立建組開展研究工作。此前，曾於 2013 年底在波爾多大學（法國）和列日大學（比利時）分別獲得凝聚態材料物理化學和化學博士學位，2014-2019 年先後在劍橋大學（英國）、在麻省理工學院（美國）和哈佛醫學院（美國）從事博士後研究。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、仿生界面、軟材料 3D 列印以及功能軟材料在人機互動界面上的應用等。

多年的海外求學、豐富的多學科交叉研究等相關經歷，為劉吉從事這類研究提供了堅實的基礎。近年來，在 Science Advances、Nature Communications、Accounts of Chemical Research、PNAS 等期刊上發表文章 40 餘篇。先後獲得瑪麗居裡學者、日本高分子凝膠協會青年學者獎、深圳市海外高層次海外留學人才和廣東省 「珠江人才計劃」 引進高層次人才等獎勵。

眾所周知，常用的醫學電子器件和產品大多由金屬、矽、陶瓷、玻璃和工程塑料組成，它們堅硬易碎且無法與生物組織直接相容。與之相反，人體器官或者說是生物組織 (如大腦、心臟和肌肉等) 大多柔軟且富含水分，並且能夠承受每年幾百萬次兆帕級的應力而不發生破壞。

以人體軟骨為例，內部基質呈凝膠狀態，具有較大韌性，因此儘管軟骨內部水分佔比高達 80%，但其抗壓強度卻不可小覷，不但可以輕鬆承受身體自重，還能承受住各種劇烈運動對關節的考驗。

同樣具有較高的含水量 (70-80%) 還有肌肉組織，它們每年需要承受的應力加載高達百萬次兆帕量級，但疲勞閾值仍能保持在 1000J/m2 以上，這就是因為天然肌肉具備高強度、抗疲勞性、柔軟以及高含水量等綜合性能。

而能夠大量吸水並呈現果凍狀物質的水凝膠材料，因為和生物組織在結構和組成上有著高度的相似性，放入人體內不會引發排異反應，所以被廣泛認為是人機互動界面的理想材料之一。但是大部分水凝膠的彈性和韌性都不好，使得穩定高效的人機互動界面很難構築，大大限制了應用範圍。

值得一提的是，就是在麻省理工學院機械工程系趙選賀教授實驗室做博士後期間，2019 年 1 月，劉吉以共同第一作者身份在 Science Advances雜誌上發表論文，標題為 Anti-fatigue-fracture hydrogels，受啟發於肌肉組織的結構性能關係，他們開創性地提出了抗疲勞水凝膠的設計原理：讓疲勞裂紋在擴展中遇到並且破壞比一層高分子鏈強韌很多的物質，例如納米晶域或者納米纖維結構。

基於這一設計原理，他們實現水凝膠材料（如聚乙烯醇）在溶脹平衡狀態下的疲勞閾值可以超過 1000 J/m2。這也是首次實現水膠體系疲勞閾值達 1000 J/m2，突破 Lake-Thomas 理論極限。

這類抗疲勞水凝膠可被進一步設計成可食用水凝膠電子，其優異的抗疲勞特性和化學/機械穩定性，使得這類水凝膠電子能夠在長達一個月的時間內抵抗胃腔的機械蠕動和胃酸的化學腐蝕，實現重要的生理信號的在線監測。

圖 | 抗疲勞軟材料設計理念

2019 年 5 月，劉吉再次以共同第一作者身份在《美國科學院院報》（PNAS）發表了一篇題為 Muscle-like fatigue-resistant hydrogels by mechanical training 的論文，論文稱骨骼肌具有高抗疲勞性能（1000 J/m2）、高強度（1 MPa）、低楊氏模量（100 kPa）、高含水量（70 ~ 80 wt %）的組合性能，這些是合成水凝膠所不能實現的。他們提出了一種機械訓練的策略，實現水凝膠內部納米纖維的有序取向排列，進而得到力學性能可媲美人體肌肉的水凝膠材料。

通過共聚焦顯微鏡觀察水凝膠的斷裂過程發現，與無定形聚合物鏈相比，排列整齊的納米纖維斷裂需要更高的能量，能夠有效抵抗疲勞引起的裂紋擴展。同時，結合 3D 列印構築技術，他們成功實現面內各向同性的抗疲勞、高強度和柔軟的水凝膠材料。

圖 | 類肌肉仿生水凝膠

在上述工作的基礎上，抗疲勞軟材料設計理念已被廣泛認可和應用，然而如何設計具有抗疲勞斷裂的水凝膠粘接仍舊是軟材料領域一個亟待解決的難題。

受啟發於這類結締組織與骨頭的抗疲勞黏合界面結構，劉吉再次以共同第一作者身份在 Nature Communications 期刊上發表了論文，標題為 Fatigue-resistant adhesion of hydrogels，提出了抗疲勞水凝膠界面粘接的原理：在粘接界面引入高能量單元例如有序納米晶域，以限制疲勞裂紋的擴展，實現了界面疲勞閾值達 800 J/m2 以上，遠遠高於現有的軟軟材料粘合體系。

圖 | 媲美肌腱 - 骨骼界面的水下軟材料抗疲勞粘合

對於劉吉取得的一系列研發成果，MIT 軟材料領域領軍人物趙選賀評價道，「劉吉博士是軟材料設計與製造領域的青年領袖，在軟材料設計、軟材料力學和 3D 列印等領域都取得了非常突出的成果。他關於界面粘合的抗疲勞研究為新興軟材料科技應用於水凝膠電子、人工植入材料和生物醫用器件奠定了基礎。我相信在不久的未來，劉吉博士會迅速成長為軟材料設計與製造領域的青年科學家代表，通過他在該領域的不斷耕耘來，推動社會和新型科技的快速發展。」

未來進一步擴展軟材料的應用場景

的確，從始至終劉吉的研究都主要集中在效仿生物組織的構築方式，設計並製造出媲美人體組織機械性能的生物材料，並推廣至人體技術領域，如可穿戴設備或可植入電子，以及腦機接口等。

那麼，為什麼要選擇這個研究領域呢？劉吉告訴《麻省理工科技評論》中國，因為這個研究領域近年來非常活躍，除了人們熟知的生物支架，軟材料的應用已經拓展到傳感器、驅動器、表面塗層和生物電子器件等各種場景中，甚至現階段非常前沿的人體技術類研究。傳統金屬類電子材料的植入，會面臨與人體組織在力學、電學、生物學等多方面的不匹配，導致使用過程中極易失效。而水凝膠類軟材料與生物組織在結構和組成上高度相似，不存在免疫排斥、血液凝集、蛋白質吸附等各種不良反應，被認可為應用於人體技術的理想人工生物材料之一。

「傳統軟材料體系極易發生疲勞破壞而失效，因此很難用於相關的應用場景。材料使用過程中一旦出現裂紋，這些裂紋會隨著時間慢慢擴展以至發生疲勞斷裂，」 劉吉表示， 「所以，這類生物材料在長久使用過程中結構和性能的穩定性 (比如抗疲勞特性)，是一個至關重要的研究方向，」

在劉吉的設想中，將來還會發展水凝膠類材料的 3D 列印製造，希望能將現有軟材料設計與製造技術、新的傳感技術、新型增材製造技術等結合，實現功能器件的一體化設計、製備和功能化，以擴展其應用場景。比如，這類軟材料器件可作為嵌入式或體外粘附式傳感器，為體內外信號監測與預警，並且為個性化醫療器械和康復治療等應用領域開闢全新的道路。同時，借力大數據、雲計算、物聯網等技術與網際網路的跨界融合，推動智能化的疾病預防、診斷與治療、以及個性化醫療等。