揚(yáng)州大學(xué)高杰峰教授《自然·通訊》：高強(qiáng)度、抗疲勞仿生組織水凝膠

水凝膠因其柔軟、濕潤(rùn)的特性及良好的生物相容性，在組織工程、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)水凝膠的機(jī)械性能往往較差，強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性難以兼顧，尤其在承載負(fù)荷的應(yīng)用中容易失效。此外，各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與性能的同步提升一直是個(gè)挑戰(zhàn)。如何使水凝膠在模擬生物組織力學(xué)性能的同時(shí)，具備優(yōu)異的耐久性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

近日，揚(yáng)州大學(xué)高杰峰教授提出了一種創(chuàng)新的漸進(jìn)式納米結(jié)晶策略，通過(guò)機(jī)械訓(xùn)練、濕法退火和鹽析三步法，成功制備出具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度、抗疲勞各向異性聚乙烯醇水凝膠。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了 61±3 MPa的拉伸強(qiáng)度、106±27 MJ·m?3 韌性和85±9 kJ·m?2 斷裂能的優(yōu)異力學(xué)性能，其抗疲勞閾值更高達(dá) 2083 J·m?2，同時(shí)具備良好的抗溶脹性和細(xì)胞引導(dǎo)能力，為負(fù)載型生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)論文以“Hierarchical crack-resistant, tissue-mimetic hydrogels enabled by progressive nanocrystallization of anisotropic polymer networks”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)相變引導(dǎo)的層級(jí)工程策略，逐步構(gòu)建各向異性網(wǎng)絡(luò)。圖1a示意了該制備流程：先經(jīng)預(yù)冷凍形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)甘油/乙醇溶劑交換誘導(dǎo)分子聚集與結(jié)晶；隨后在乙醇揮發(fā)控制下進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練，使分子鏈沿應(yīng)力方向排列；接著在高溫甘油中進(jìn)行濕法退火，修復(fù)缺陷并提升結(jié)晶度；最后通過(guò)檸檬酸鈉鹽析鎖定取向結(jié)構(gòu)。所得水凝膠展現(xiàn)出了肌腱級(jí)的強(qiáng)度，可舉起自身重量12000倍的負(fù)載（圖1b）。與純PVA水凝膠相比，其拉伸強(qiáng)度與模量分別提升近25倍與60倍（圖1c），力學(xué)性能超越某些人體關(guān)節(jié)韌帶，接近肌腱水平（圖1d）。

圖1：各向異性水凝膠制備流程與性能示意圖。 a 通過(guò)有機(jī)凝膠機(jī)械訓(xùn)練、濕法退火和鹽鎖定策略制備各向異性水凝膠的流程示意圖。 b 水凝膠機(jī)械強(qiáng)度演示：一條水凝膠條帶舉起8公斤重物。 c 純（各向同性）水凝膠與工程化各向異性水凝膠的拉伸應(yīng)力與楊氏模量比較。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3個(gè)獨(dú)立樣本。 d 所開(kāi)發(fā)水凝膠與多種天然生物組織力學(xué)性能的比較評(píng)估。

在力學(xué)性能方面，圖2展示了不同處理階段水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與性能對(duì)比。各向異性水凝膠AV15SH-120展現(xiàn)出最高強(qiáng)度（45.1±3.7 MPa）與韌性（66±12 MJ·m?3），逐步處理顯著提升了其綜合力學(xué)表現(xiàn)（圖2a–c）。隨著PVA濃度增加，力學(xué)性能進(jìn)一步提升（圖2d–f），且逐步處理在不同濃度下均有效（圖2g–h）。尤其值得注意的是，AV15SH-120的斷裂能達(dá)85±9 kJ·m?2，為各向同性樣品的29倍以上（圖2h），超越許多生物組織。圖2i–l進(jìn)一步將本研究水凝膠與文獻(xiàn)報(bào)道的先進(jìn)各向異性水凝膠進(jìn)行對(duì)比，顯示其在強(qiáng)度、韌性、含水率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖2：PVA水凝膠的力學(xué)性能。 a 不同PVA水凝膠（15 wt%）的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，及其 b 拉伸強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變、c 模量與韌性的匯總。 d 不同PVA水凝膠（20 wt%）的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，及其 e 拉伸強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變、f 模量與韌性的匯總。 g 不同方法制備的PVA水凝膠的含水量與 h 斷裂能匯總。 i IV15SH、AV15H、AV15SH和AV15SH-90的力學(xué)性能比較。 綜合力學(xué)性能比較：j 強(qiáng)度 vs. 模量，k 韌性 vs. 含水量，l 韌性 vs. 強(qiáng)度，將所制備PVA水凝膠與其他高韌性水凝膠并列展示。所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3個(gè)獨(dú)立樣本。

微觀結(jié)構(gòu)表征（圖3）揭示了漸進(jìn)增強(qiáng)策略如何誘導(dǎo)分子至宏觀尺度的有序排列。SEM圖像顯示，從各向同性的IV15SH到經(jīng)過(guò)訓(xùn)練與鹽析的AV15SH-120，結(jié)構(gòu)逐漸從無(wú)序孔洞演變?yōu)楦叨热∠虻募{米纖維束（圖3a-i至c-i）。WAXS與SAXS圖譜證實(shí)了結(jié)構(gòu)的逐步各向異性化：衍射環(huán)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒?，取向因子?.5提升至0.87（圖3d），表明分子排列愈加規(guī)整。此外，結(jié)晶域尺寸增大、域間距離減?。▓D3h、j），說(shuō)明鹽析促使分子鏈聚集與致密化。XRD與DSC分析進(jìn)一步證實(shí)，逐步處理顯著提升了水凝膠的結(jié)晶度，干態(tài)結(jié)晶度從12.6%增至34.3%，溶脹態(tài)亦達(dá)17.0%（圖3j），為其卓越力學(xué)性能提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖3：不同水凝膠的微觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)表征。 a IV15SH、b AV15H、c AV15SH-120的微觀形貌比較，包括：(i) SEM圖像，(ii) 小角X射線散射（SAXS）與 (iii) 廣角X射線散射（WAXS）圖譜。 d 2D WAXS圖譜的方位角積分強(qiáng)度分布。 e 顯示散射強(qiáng)度與散射矢量（q）關(guān)系的1D WAXS曲線。 f 2D SAXS圖譜的方位角積分強(qiáng)度分布。 g 顯示散射強(qiáng)度與散射矢量（q）關(guān)系的1D SAXS曲線（沿取向方向）。 h 計(jì)算得出的結(jié)晶域之間平均距離（所有數(shù)據(jù)沿納米纖維取向方向）。 i X射線衍射（XRD）圖譜。 j 干燥與溶脹狀態(tài)下水凝膠的計(jì)算結(jié)晶度。 k 示意結(jié)晶域轉(zhuǎn)變的示意圖。結(jié)晶度與 l 數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3個(gè)獨(dú)立樣本。

在抗裂紋擴(kuò)展性能方面，圖4顯示經(jīng)逐步處理的水凝膠疲勞閾值逐步提升，AV15SH-120高達(dá)2083 J·m?2（圖4a–f）。即使經(jīng)過(guò)10,000次循環(huán)加載，裂紋也未沿缺口擴(kuò)展，反而出現(xiàn)沿纖維方向的分支（圖4g），表現(xiàn)出類似生物材料的破壞模式，通過(guò)微裂紋分散能量、延緩整體失效。圖4h-i示意了其多尺度抗疲勞機(jī)制：取向纖維束通過(guò)各向異性應(yīng)力重分布偏轉(zhuǎn)裂紋，結(jié)晶域作為剛性交聯(lián)點(diǎn)釘扎裂紋，氫鍵則通過(guò)可逆斷裂與重組耗散能量。

圖4：不同水凝膠的抗疲勞性能。 a–e IV15SH、AV15H、AV15SH、AV15SH-90和AV15SH-120的裂紋擴(kuò)展速率dc/dN與施加能量釋放率G的關(guān)系圖。 f 不同水凝膠疲勞閾值（Γ?）匯總。 g AV15SH-120缺口樣品在5000次和10000次循環(huán)后的照片，用于驗(yàn)證高達(dá)~1856 J m?2的疲勞閾值。疲勞閾值數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3個(gè)獨(dú)立樣本。 h 不同水凝膠疲勞閾值與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系圖。 i 各向異性水凝膠抗疲勞機(jī)制的示意圖。

此外，該水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性，在生理鹽水中體積變化小于1.2%（圖5a），浸泡7天后力學(xué)性能保持率超過(guò)85%（圖5b–c）。生物相容性評(píng)價(jià)顯示，NIH/3T3細(xì)胞在水凝膠表面存活率超過(guò)98%（圖5d–e），且細(xì)胞沿纖維方向顯著取向生長(zhǎng)（圖5f），表明其具有引導(dǎo)細(xì)胞定向排列的能力，適用于組織工程與再生醫(yī)學(xué)。

圖5：抗溶脹性與生物相容性。 a AV15SH-120在去離子水、生理鹽水和PBS溶液中浸泡不同時(shí)間后的溶脹率。 b 在去離子水中浸泡7天前后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 c 浸泡7天后拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和韌性的保持率。 d 在標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞培養(yǎng)板（對(duì)照）和AV15SH-120上培養(yǎng)NIH-3T3細(xì)胞1、3、5天后的活/死染色熒光圖像。比例尺：200 μm。 e NIH-3T3細(xì)胞在1、3、5天的增殖能力。每組至少三個(gè)樣本，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。 f NIH-3T3成纖維細(xì)胞在不同基底上培養(yǎng)后的熒光圖像（n≥20）。比例尺：100 μm。

總之，該研究通過(guò)仿生漸進(jìn)式增強(qiáng)策略，成功構(gòu)建出具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)異抗疲勞性和良好生物相容性的各向異性水凝膠，突破了傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)性能與溶脹穩(wěn)定性之間的權(quán)衡。該材料不僅模擬了肌腱的層級(jí)結(jié)構(gòu)與軟骨的抗裂紋擴(kuò)展能力，更為設(shè)計(jì)下一代負(fù)載型生物醫(yī)用材料、人工韌帶、肌腱修復(fù)體等提供了可行的技術(shù)路線與理論依據(jù)。