大连化物所吴忠帅ACS Nano：受天然木材启发！超强各向异性杂化水凝胶，剑指人工肌腱或韧带

水凝胶能够模仿生物组织或皮肤的柔韧性，但它们仍然无法达到令人满意的强度和韧性，极大地限制了它们的应用范围。天然木材可以为设计高强度水凝胶提供灵感，这归因于其各向异性结构。在本文中，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅提出了一种使用盐渍辅助预拉伸处理高效制备超强水凝胶的综合策略。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类木各向异性，包括取向分子纤维束和扩展晶粒尺寸，使材料具有超全面的力学性能，极限断裂强度超过40 MPa，应变接近250%，韧性超过60 MJ·m–3，以及出色的抗撕裂性。令人印象深刻的是，溶胀预取向水凝胶的断裂强度和韧性接近10 MPa和25 MJ·m–3分别。体外和体内试验表明，肿胀的水凝胶不会影响细胞的生长和活力，也不会引起小鼠组织的炎症或排斥反应，这意味着极低的生物毒性和完美的组织相容性，在人工韧带或肌腱中的应用前景广阔。本研究中提供的策略可以推广到各种生物相容性聚合物，用于制造具有各向异性结构的高性能水凝胶。该研究以题为“Natural-Wood-Inspired Ultrastrong Anisotropic Hybrid Hydrogels Targeting Artificial Tendons or Ligaments”的论文发表在《ACS Nano》上。

图1描述了木材清晰的各向异性结构以及定向PVA/CNF杂化水凝胶的制造和制备过程。通过预拉伸-盐析结合固定策略，随机取向的PVA分子链经历了充分的取向，而盐溶液固定了取向分子并与CNF一起形成更强的分子束纤维。简而言之，PVA / CNF混合物溶液通过简单的冻融循环转化为凝胶状态。然后将水凝胶预拉伸并固定，然后完全浸入硫酸钠溶液中。游离PVA分子链和CNF在拉伸应力作用下取向，变形变量可以较好地控制分子链取向程度。随后，大量的离子可以诱导取向聚合物分子的沉积和聚集，从而导致PVA/CNF分子纤维的形成。盐析处理和CNF都可以在一定程度上改变水凝胶的力学性能。随着CNF含量的增加，PVA水凝胶的断裂强度呈火山状趋势，1 wt%的CNF综合力学性能最佳。

图1.获取PVA/CNF水凝胶的示意图

【水凝胶的机械性能】

更具吸引力的是，取向行为将水凝胶的机械性能推向了一个惊人的水平。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超过40 MPa，弹性模量为30 MPa。此外，杂化水凝胶的断裂伸长率超过250%，远高于一般木质高强度水凝胶(<20%)。各向异性PVA/CNF水凝胶的断裂强度和模量与预拉伸变形呈明显的正相关关系。与未拉伸处理的样品相比，30%预拉伸样品(PVA/1CNF/30)的水凝胶强度为25.3 MPa，强度提高了26%。当预拉伸变形扩大到40%(PVA/100CNF/1)时，水凝胶的断裂强度超过100 MPa，变化幅度为110%。此外， PVA/1CNF/100各向异性水凝胶具有61.8 MJ·m–3的高韧性。这些令人惊讶的高值远远超过了相关作品中的值。在预拉伸过程中，水凝胶中的分子链在外力的作用下发生定向取向。最重要的是，盐溶液可以诱导相邻取向的大分子聚集成束并固定它们，从而导致分子纤维的出现。在这个过程中，分散在水凝胶中的CNF可以看作是锚点，大量的PVA分子链会缠绕在CNF表面，形成更长的分子纳米纤维，这有助于分子纤维束长径比的增加。

图2.水凝胶的机械性能

【水凝胶的各向异性】

水凝胶作为软材料，其超强溶胀能力是标志性特征。在溶胀过程中，大量的水进入水凝胶网络，导致水凝胶的力学性能急剧下降，阻碍了其在组织工程中的应用。将盐溶液浸泡的PVA/CNF水凝胶放入去离子水中，分析不同样品溶胀后力学性能的变化。肿胀的水凝胶显示出不可避免的强度下降，CNF含量持续影响PVA/CNF水凝胶的力学行为，断裂强度随着CNF含量的增加而逐渐增大。相比之下，预拉伸后的试样在溶胀后表现出显著更高的断裂强度和韧性。膨胀的各向异性水凝胶似乎具有独特的多孔状结构，表明内部网络的扩展。重要的是，水凝胶内部的取向结构并没有消失，这是保持优良机械性能的原因。

与木材一样，各向异性水凝胶的力学行为在垂直和水平方向上显着不同。为研究各向异性力学性能的各向异性，对各向异性PVA/1CNF/100水凝胶试样进行了定向和非取向切割，并测定了所制备试样的抗拉强度。正如预期的那样，材料在定向方向上的断裂强度和模量明显高于非定向方向的相应值，这是分子束定向排列的结果。取向结构的存在可以有效提高水凝胶的裂纹堵塞能力和抗撕裂性。从断裂的角度来看，无序的大分子链相互缠绕并阻止了聚合物分子之间的滑动，这导致整个网络中能量耗散的径向快速膨胀，当然还有缺口延伸的横向方向，并降低了缺口扩张的速率。相比之下，取向水凝胶内部的大量分子纤维束有助于凝胶抵抗更强的外部应力，此外，与相互缠绕的无序大分子链相比，取向纤维束之间的滑动更容易发生，这有效地减缓了缺口膨胀的速度并提高了材料的撕裂能量。

图3.水凝胶的各向异性

【水凝胶的各向异性表征】

为了确认样品中大分子的取向行为，对取向和非取向水凝胶进行了2D WAXD和2D SAXS分析。证明当水凝胶样品被拉伸时，聚合物分子链确实在盐析沉淀的作用下发生了取向排列，并形成了平行于拉伸方向的各向异性永久性结构。

图4. 水凝胶的各向异性表征

【水凝胶预拉伸过程中的结构变化】

预拉伸处理显著影响材料的结晶度，材料结晶度与预拉伸变形呈负相关。周期性分子束存在于水凝胶内部，预拉伸过程可促进分子束的形成。此外，部分由冻结作用形成的层状晶体之间的盘绕分子链在预拉伸作用下被拉直，进而导致层状晶体的相互距离和长周期的变化。

图5. PVA/2CNF/1水凝胶预拉伸过程中的结构变化示意图

【水凝胶的生物相容性】

根据其作为人工韧带的有前途的应用，评估了已开发的完全溶胀的S/PVA/1CNF/100水凝胶的生物相容性。在这里，评估了人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的细胞形态、活/死双重染色和增殖能力。将HUVECs接种在水凝胶上，并选择PBS缓冲液作为空白对照。72 h后，HUVECs在水凝胶上的形态广泛分布，显示出具有棱角结构的可见肌动蛋白丝，其横向扩散具有明显的细胞质延伸。水凝胶的细胞形态与对照组的细胞形态几乎相同,表明水凝胶对细胞生长没有不利影响，即细胞毒性非常有限。此外，组织切片分析的结果显示21天后小鼠组织结构没有显着变化，并且没有发现损伤组织中常见的明显中性粒细胞和淋巴细胞，这与空白对照组中的实验现象相吻合，暗示组织健康状况良好,有力地证明了水凝胶的理想生物相容性及其在组织工程领域的应用前景。

图6.水凝胶的生物相容性

【小结】

该研究展示了一种受天然木材启发的预拉伸-盐析固定综合策略，以成功完成具有取向结构的超高强度超韧性杂化水凝胶的制备。由于各向异性结构和致密的分子纤维束，优化的取向PVA/CNF水凝胶表现出惊人的∼40 MPa拉伸强度，30 MPa的纵向弹性模量优异，韧性超过60 MJ·m–3，其整体机械性能优于迄今为止报道的大多数强水凝胶。此外，紧密排列的分子纤维束在充分溶胀后可以保留，并赋予溶胀样品接近10 MPa的断裂强度和25 MJ·m–3的韧性。在体外，溶胀的PVA/CNF杂化水凝胶表现出理想的无毒性，完全不抑制细胞增殖和分化。在体内，肿胀的杂化水凝胶具有完美的组织相容性。这种水凝胶具有出色的机械性能和良好的生物相容性，在生物组织工程领域(例如人工韧带)提供了广泛的应用。重要的是，这种简单的制备方法可以扩展到各种其他基于聚合物的水凝胶，以推动其他弱水凝胶在机器人、生物工程和其他领域的应用。

来源：BioMed科技

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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