复合水凝胶与软组织中的应变刚化普适性

软生物组织表现出对大机械载荷的显著韧性，这一特性与为组织提供结构支撑的生物聚合物网络的应变刚化能力相关。然而，近期研究表明，诸如组织和血凝块等复合系统展现出的力学性质与聚合物基体相矛盾——在压缩中表现出刚化，而在剪切和拉伸中表现出软化。这一表观悖论的微观基础仍知之甚少。我们表明，复合水凝胶和组织确实在剪切中表现出非线性弹性刚化——由基体中聚合物链的拉伸所主导——并且其驱动机制与压缩刚化相同。然而，我们表明复合水凝胶和组织中的非线性弹性刚化被源自填料-聚合物相互作用（即 Mullins 效应）的机械耗散所掩盖，并引入一种方法，通过大振幅振荡剪切实验将复合材料的非线性弹性从其整体应变软化响应中分离表征。我们对复合水凝胶和软组织的非线性弹性应变刚化进行了全面表征，并表明剪切与压缩中的应变刚化均由普适的应变放大因子所主导，这些因子依赖于复合系统的本质属性，例如填料浓度与填料-聚合物相互作用强度。这些结果阐明了主导组织非线性力学的微观机制，为设计仿组织软材料提供了原则，并对受力活组织中的细胞-基质机械转导具有广泛意义。