要为平民和士兵设计更好的防护装备，以抵御严重冲击，就需要详细了解人体软组织对这类冲击的实际反应，无论冲击来自脑震荡、弹道攻击还是爆炸伤。麻省理工学院（MIT）的研究人员正在研发新型合成聚合物—溶剂凝胶，称为组织模拟凝胶，用来模拟天然组织的反应。
生物工程专业研究生Bo Qing正在研究创伤性外力对啮齿动物脑组织的影响，并建模合成替代材料，以更深入地了解如何预防这类损伤。“如果我们能设计出一种材料，模拟这种冲击反应，它将非常有助于用作损伤模型，并用于评估能够最大限度减少此类伤害的新型防护装备。”在麻省理工学院副教授 Krystyn J. Van Vliet的指导下开展研究的Qing解释道。
“我们希望研究脑、心脏和肝脏等生物组织对冲击的反应，然后找到能够重现这些反应的合成模拟材料；例如，这将非常有助于陆军制定新的防护策略，并了解损伤实际是如何发生的。”Qing说。
Qing正在研究基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的多层凝胶，将其作为脑组织模型。这种凝胶具有弹性且透明。Van Vliet团队此前 发现了 某些交联PDMS凝胶配方，其冲击反应与心脏组织高度吻合。
“本质上，这些材料是经化学交联的PDMS网络，并填充了PDMS溶剂。这类凝胶有许多不同变体，我们基本上可以调节交联剂与聚合物基体的化学计量比、PDMS溶剂的分子量，以及不同类型凝胶所用的溶剂量。”Qing说。
这项工作由美国陆军研究实验室支持，该实验室提供部分器官凝胶。Qing使用一种不含溶剂的、可从市场购得的不同类型PDMS合成顶层。“对于顶层，我正在改变的一些性质包括刚度和厚度，以调节材料整体的冲击反应，使之与我们关注的组织相匹配。”他解释道。23岁的Qing是博士二年级学生，预计于2018年完成博士学位。他在加州大学伯克利分校获得学士学位。
黏性难题
Qing说，使用脑组织这类极软或顺应性组织的替代材料，会带来一些特殊挑战。“使用合成凝胶时，一旦达到某个刚度水平，如果再试图降低刚度，凝胶就会变得非常、非常黏，这使得操作十分困难。对我来说尤其如此，因为我处理的材料体积很小，而且要通过与凝胶表面实际接触来分析其反应。”他说。
首席研究员Van Vliet表示，与用金属或陶瓷替代材料模拟骨骼等硬组织相比，用凝胶等工程材料复制软组织要困难得多。“像心脏、大脑和肝脏这样的‘软组织’，制造起来更加复杂。”她解释道。“你使用的是聚合物，而不是金属和陶瓷。有许多参数可以调节，但这些参数通常相互耦合。例如，材料刚度越来越低时，它也会变得越来越黏。这在组织中并非总是如此，但对许多工程聚合物来说确实如此。”
“Bo正在用这种方法获取首批脑组织数据，随后又采用同样的方法，了解如何设计聚合物，使其匹配或保护组织。”Van Vliet说。“我们可以制造一种非常、非常复杂、看起来就像脑组织的材料，包含多层结构、白质和灰质，但这并不是重点。重点是尽可能用简单的材料模拟我们关注的力学行为，从而最终能够大规模制造这种材料。”
高冲击速率
获得国防科学与工程研究生奖学金的Qing使用纳米压痕仪，对啮齿动物组织和凝胶替代材料进行冲击测试，以确定精确测量所需的参数。实验装置将摆锤上的探针以高冲击速率压入材料。“我们得到的是探针位移随时间变化的情况；根据这些输出数据，我们可以分析材料的抗穿透能力，例如依据探针能够穿入材料的最大深度来评估。”Qing解释道。“通过这些不同的反弹，我们基本上可以分析冲击能量消散了多少以及消散得有多快。”
每次冲击压痕实验约需三秒，不过准备时间要长得多。冲击载荷以毫牛顿为单位测量。测试会在不同的冲击力和速度下重复进行。“我一直在表征各种组织的冲击反应，然后设计具有相同冲击反应特性的合成凝胶。”Qing说。
“自然界已经涵盖了很大的设计空间，而我们目前实际上还无法利用。”Van Vliet说。“不过，研究界正通过Bo这样的实验逐渐了解如何调节材料的刚度，同时独立控制其消散冲击能量的速度。例如，这方面还有很多可学之处：如何模拟组织，以及如何让材料保持简单、成本低廉，从而能够大规模制造。”
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Denis Paiste是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：2012年3月27日，在伦敦威康收藏馆的一场展览上，陈列着显示大脑不同部位的颅相学头部石膏模型。路透社/Chris Helgren。
