以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
水凝胶能够模拟生物组织或皮肤的柔韧性，但仍然不能达到令人满意的强度和韧性，这极大地限制了它们的应用范围。天然木材的各向异性结构为设计高强度水凝胶提供了灵感。在此，中国科学院大连化物所吴忠帅首席研究员提出了一种综合策略，利用盐析辅助预拉伸处理有效地制备超强水凝胶。所制备的聚（乙烯醇）/纤维素纳米纤维杂化水凝胶具有明显的木材样各向异性，包括定向的分子纤维束和扩展的晶粒尺寸，这使材料具有非常全面的力学性能，极限断裂强度超过40 MPa，应变接近250%，韧性超过60MJ·m−3，具有优异的抗撕裂性。再膨胀定向水凝胶的断裂强度和韧性分别接近10 MPa和25MJ·m−3。体外和体内测试表明，再膨胀水凝胶不影响细胞的生长和生存能力，也不会导致小鼠组织的炎症或排斥，这意味着极低的生物毒性和良好的组织相容性，展示了在人工韧带或肌腱领域巨大的应用前景。
相关研究成果以“Natural-Wood-Inspired Ultrastrong Anisotropic Hybrid Hydrogels Targeting Artificial Tendons or Ligaments”为题于2023年7月13日发表在《ACS Nano》上。
图1 提取PVA/CNF水凝胶的示意图
图1描述了木材清晰的各向异性结构，以及定向聚（乙烯醇）/纤维素纳米纤维（PVA/ CNF）杂化水凝胶的制造和制备过程。PVA/CNF混合物溶液通过一个简单的冷冻−解冻循环转化为凝胶状态。预拉伸并固定水凝胶，然后完全浸泡在硫酸钠溶液中。自由PVA分子链和CNF在拉应力下具有取向性，分子链的取向程度可以很好地受到变形变量的控制。随后，大量的离子可以诱导定向聚合物分子的沉积和聚集，从而形成厚束的PVA/CNF分子纤维。
图2 (a)不同预拉伸变形变量的PVA/1CNF/y水凝胶的应力−应变曲线；(b)具有不同预拉伸变形变量的PVA/1CNF/y水凝胶的破断强度和模量；(c)溶液中强水凝胶的断裂伸长强度和断裂强度；(d)各向异性PVA/1CNF/100水凝胶在原始和断裂状态下的照片；(e)原始PVA水凝胶和各向异性PVA/1CNF/100的光学显微镜图；(f)原始PVA水凝胶和各向异性PVA/1CNF/100水凝胶的扫描电镜图像；(g)各向异性PVA/1CNF/100水凝胶制备过程中分子链的变化示意图；(h)CNF与PVA分子链之间的相互作用
该方法构建的各向异性PVA/CNF水凝胶沿取向方向的断裂强度大于40 MPa，弹性模量为30 MPa（图2a）。杂化水凝胶的断裂伸长率超过了250%（图2a、b），远远高于一般木制的高强度水凝胶（<为20%）。当预拉伸变形扩大到100%（PVA/1CNF/100）时，水凝胶的断裂强度超过40 MPa，变化幅度为110%。PVA/1CNF/100各向异性水凝胶具有61.8MJ·m−3的高韧性（图2c）。拉伸断裂表现出清晰的纤维形态（图2d），表明水凝胶内形成了大量定向的大分子束。原始的PVA水凝胶（PVA/0CNF/0）具有均匀的凝胶状形态，而100%预拉伸水凝胶（PVA/1CNF/100）表现出明显的纤维结构排列（图2e)。经过冷冻干燥后，原始的PVA水凝胶在内部显示出连续且均匀的多孔网络结构，而PVA/1CNF/100可以更清楚地观察到紧凑排列的连续纤维束，其长度超过500μm（图2f），这是由于大量PVA分子链的有序聚集。水凝胶中分子纤维束的形成如图2g所示。由于氢键的形成，CNF和PVA分子链之间的连接变得更强（图2h）。
图3 (a)不同CNF含量的S/PVA/xCNF/0水凝胶的应力−应变曲线；(b)预拉伸行为对不同预拉伸变形变量的S/PVA/1CNF/y水凝胶力学性能的影响；(c)S/PVA/1CNF/ 100水凝胶的扫描电镜图像；(d)在定向方向和非定向方向上的拉伸实验示意图；(e)各向异性PVA/1CNF/100水凝胶沿取向方向和非取向方向的应力−应变曲线；(f)原、各向异性水凝胶的缺口试验应力−应变曲线；（g、h）原PVA/1CNF/0 (g)和各向异性PVA/ 1CNF/100 (h)水凝胶拉伸过程中的缺口膨胀示意图
再膨胀水凝胶的强度不可避免地会下降，PVA/ 1CNT/0水凝胶的最大强度为5 MPa（图3a）。再膨胀的各向异性PVA/1CNF/100水凝胶（S/PVA/ 1CNF/100）的强度和韧性仍可分别达到10 MPa和25.8MJ·m−3，远远超过了无取向样品（图3b）。水凝胶内部的取向结构没有消失，这是保持良好的力学性能的原因（图3c）。各向异性PVA/1CNF/100水凝胶在非取向方向分别为8.1和9.4 MPa，在取向方向分别为40.1和30.0MPa（图3d、e）。尽管缺口无取向样品（PVA/1CNF/0）的断裂伸长率也接近200%，但该值仅为相应完整样品的伸长率的52%，表明定向结构的存在可以有效地提高水凝胶的阻裂能力和抗撕裂性（图3f）。从断裂角度看，无序的大分子链相互缠绕，防止聚合物分子之间滑动，导致整个网络的能量耗散径向快速扩张，加快了缺口扩张的速度（图3g）。与相互缠绕的无序大分子链相比，定向纤维束之间更容易滑动，有效地减缓了缺口的膨胀速度，提高了材料的撕裂能量（图3h）。
图4 (a) 不同预拉伸变形的PVA/1CNF/y水凝胶的2D WAXD图谱；(b)不同预拉伸变形的PVA/1CNF/ y水凝胶的 2D SAXS图谱；（c、d）方位角综合强度分布的相关性；(e)不同PVA/1CNF/y水凝胶的1DWAXD图谱
原始PVA/1CNF/0水凝胶的衍射强度具有明显的各向同性（图4a）。在90°和270°处，水凝胶样品的方位角随着预拉伸的变形而逐渐增加，并变得越来越尖锐（图4c）。在所有方向上几乎相同的散射强度中证明了原始PVA/ 1CNF/0水凝胶的2D 小角度x射线散射（SAXS）模式明显具有各向同性（图4b）。图4d显示了不同2D SAXS图样的方位角积分曲线（101个晶体面）。位于90°的方位强度与预拉伸形状变形呈显著正相关。根据2D 广角X射线衍射（WAXD）图的1D曲线图显示（图4e），曲线上11.2°、18.6°和39.3°处的衍射峰分别对应于PVA的100、101和111个晶体面。
图5 (a)2D SAXS数据的等高线图；(b)层状晶体长周期随预拉伸变形的变化；(c)PVA/1CNF/100水凝胶在预拉伸过程中的结构变化示意图
在赤道方向的1D散射强度分布曲线在0.7nm−1附近出现了明显的峰值，且随着预拉伸变形的增加，其强度逐渐增强（图5a）。材料晶体的长周期从8.46增加到约10nm。在预拉伸作用下，垂直于冻结作用形成的层状晶体之间的螺旋分子链被拉直，从而导致层状晶体的相互距离和长时间的变化（图5c）。
图6 生物相容性评价
接下来评估了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的细胞形态、活/死双染色和增殖能力。将HUVECs接种于水凝胶上，并选择PBS缓冲液作为空白对照（图6a）。水凝胶的细胞形态与对照组几乎相同（图6b）。活性观察显示，在水凝胶表面只能检测到少量的死亡细胞，这与在空白对照基底物上观察到的现象一致（图6c）。这些结果表明，水凝胶的细胞毒性非常有限。将溶胀水凝胶植入KM小鼠的皮下组织，以评估机体对样本的排斥反应和炎症反应（图6d、e）。饲养21天后，在水凝胶周围的KM小鼠皮下组织中未观察到异常发育不良等炎症反应和坏死（图6f）。H&E染色显示21天后，小鼠的组织结构无明显变化，损伤组织中未发现明显常见的中性粒细胞和淋巴细胞，这与空白对照组的实验现象相吻合，提示组织健康状态良好（图6g）。上述结果证明了S/PVA/1CNF/100水凝胶具有理想的生物相容性，及其在组织工程领域的应用前景。
总之，本研究展示了一种以天然木材为灵感的预拉伸−盐析固定的综合策略，以成功地完成了具有定向结构的超高强度和超坚韧杂化水凝胶的制备。由于各向异性结构和致密的分子纤维，优化的定向PVA/CNF水凝胶显示约40MPa的优异抗拉强度和30 MPa纵向弹性模量以及超过60MJ·m−3的韧性，整体机械性能优于目前为止报道的大多数水凝胶。此外，这些排列紧密的分子纤维束在充分的溶胀后可以保留，使膨胀样品的断裂强度接近10 MPa，韧性为25MJ·m−3。在体外，溶胀的PVA/CNF混合水凝胶表现出细胞无毒性，且完全不抑制细胞的增殖和分化。在体内，溶胀的混合水凝胶具有完美的组织相容性。这种水凝胶具有优异的力学性能和良好的生物相容性，在生物组织工程（如人工韧带）领域具有广泛的应用前景。更重要的是，这种简单的制备方法可以扩展到各种其他聚合物水凝胶，以推动其他弱水凝胶在机器人技术、生物工程和其他领域的应用。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01976
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