觀測(cè)水凝膠真實(shí)結(jié)構(gòu)，登上Nature Materials！

水凝膠作為一種廣泛應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)、隱形眼鏡和組織工程支架的重要材料，其宏觀性能的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期受限于對(duì)納米尺度溶液相結(jié)構(gòu)觀察的困難。甲基纖維素作為一種典型的水凝膠材料，盡管已有研究提出其可用半柔性生物聚合物網(wǎng)絡(luò)模型描述，但在流變性能的濃度依賴性預(yù)測(cè)以及高階結(jié)構(gòu)的觀察方面仍存在明顯的不一致性。這些不一致性阻礙了水凝膠材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的精確建立，也限制了其在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

近日，美國(guó)西北大學(xué)Nathan C. Gianneschi教授課題組通過采用變溫液相透射電子顯微鏡技術(shù)，以高時(shí)空分辨率觀測(cè)溶劑化水凝膠，避免了脫溶劑和剪切偽影的干擾。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，甲基纖維素水凝膠形成了具有高持久長(zhǎng)度和微米級(jí)纖維束的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些纖維束以層級(jí)組裝方式排列，從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)宏觀流變性能。通過散射技術(shù)和掃描電子顯微鏡證實(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在羥丙基甲基纖維素和羥丙基纖維素中也觀察到了類似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些多尺度觀察結(jié)果清晰地揭示了納米級(jí)結(jié)構(gòu)如何影響微觀結(jié)構(gòu)和宏觀行為，為水凝膠材料開發(fā)更精確的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了重要基礎(chǔ)。相關(guān)論文以“Prediction of rheological properties via structure elucidation of solvated hydrogels”為題，發(fā)表在

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研究團(tuán)隊(duì)首先通過冷凍透射電子顯微鏡、小角X射線散射和流變學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了先前文獻(xiàn)中對(duì)纖維素醚凝膠的描述（圖1）。冷凍電鏡結(jié)果顯示，甲基纖維素纖維束的平均直徑為18.6±2納米，羥丙基甲基纖維素纖維束為16.5±4納米，與文獻(xiàn)值一致。小角X射線散射數(shù)據(jù)在65°C下擬合得到直徑18.1納米的纖維束，冷卻后散射特征消失，表明纖維重新溶解。流變學(xué)測(cè)量顯示，隨著聚合物濃度增加，儲(chǔ)能模量相應(yīng)提高，加熱后冷卻產(chǎn)生的滯后曲線證實(shí)了凝膠的熱可逆性。

圖1 | LCST多糖的熱響應(yīng)行為。 a, 甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素和羥丙基纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b, 預(yù)測(cè)甲基纖維素從溶液相到凝膠相轉(zhuǎn)變的照片，第一張照片顯示甲基纖維素在25°C時(shí)處于溶液中，加熱至65°C時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闇啙崮z。c, 在65°C保持30分鐘溶液后玻璃化的0.2wt%甲基纖維素的冷凍電鏡顯微圖。d, 在65°C保持30分鐘溶液后玻璃化的0.5wt%羥丙基甲基纖維素的冷凍電鏡顯微圖。e, 在65°C保持30分鐘溶液后玻璃化的15wt%羥丙基纖維素的冷凍電鏡顯微圖。f, 0.2wt%甲基纖維素在加熱前、加熱至65°C和冷卻后獲得的小角X射線散射圖譜，只有加熱樣品確認(rèn)存在約20納米直徑的纖維。g, 在應(yīng)變控制模式下通過振蕩剪切測(cè)量獲得的0.2wt%和1.2wt%甲基纖維素的流變學(xué)數(shù)據(jù)。

通過變溫液相透射電子顯微鏡（圖2），研究團(tuán)隊(duì)首次觀察到甲基纖維素在溶液相中的凝膠化過程。在25°C時(shí)無明顯結(jié)構(gòu)，加熱至65°C并保持30分鐘后，觀察到對(duì)齊的纖維束。當(dāng)冷卻至25°C并保持30分鐘，甲基纖維素纖維沿著其成核主軸進(jìn)一步聚集，形成直徑1-2微米的纖維狀束。這一觀察結(jié)果與流變學(xué)數(shù)據(jù)中觀察到的大滯后現(xiàn)象一致，表明纖維在冷卻后不會(huì)立即溶解。

圖2 | 顯示纖維束生長(zhǎng)的變溫液相透射電子顯微鏡顯微圖。 a-c, 0.2wt%甲基纖維素在加熱前(a)、加熱至65°C保持30分鐘后(b)和冷卻至25°C保持30分鐘后(c)的液相透射電子顯微鏡顯微圖。d-f, 在不同液體細(xì)胞中收集的甲基纖維素溶液在65°C保持30分鐘后形成的1-2微米直徑束狀結(jié)構(gòu)的額外變溫液相透射電子顯微鏡顯微圖。

在高時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)觀察中（圖3），研究團(tuán)隊(duì)揭示了纖維網(wǎng)絡(luò)的形成過程。在65°C保持15分鐘后，纖維束開始成核，單個(gè)纖維在纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)呈放射狀向外擴(kuò)展，并在約10分鐘內(nèi)沿平行于成核事件的方向延長(zhǎng)。連續(xù)成像顯示，甲基纖維素纖維組裝成直徑1-2微米、向各個(gè)方向延伸的纖維狀束。冷卻后，可觀察到纖維束邊緣的纖維開始部分溶解，呈現(xiàn)"毛邊"現(xiàn)象，但完全溶解在此時(shí)間尺度上無法實(shí)現(xiàn)。

圖3 | 通過變溫液相透射電子顯微鏡連續(xù)成像加熱的甲基纖維素溶液。 a, 25°C記錄的0.2wt%甲基纖維素的液相透射電子顯微鏡顯微圖。b-d, 在65°C保持15分鐘后不同時(shí)間點(diǎn)記錄的0.2wt%甲基纖維素的變溫液相透射電子顯微鏡顯微圖。e-f, 冷卻回25°C后分別保持16分鐘和22分鐘的變溫液相透射電子顯微鏡顯微圖。g, 來自d圖在32分鐘時(shí)的變溫液相透射電子顯微鏡處理區(qū)域。

為了在更廣泛長(zhǎng)度尺度上確認(rèn)層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)采用了變溫小角中子散射和超小角中子散射技術(shù)（圖4）。結(jié)果顯示，1.2wt%甲基纖維素樣品的超小角中子散射數(shù)據(jù)遵循q?1·??的冪律，表明存在微米級(jí)結(jié)構(gòu)。通過分析超小角中子散射數(shù)據(jù)中的特征峰，發(fā)現(xiàn)纖維狀束的直徑為3.53微米。小角光散射數(shù)據(jù)的Kratky圖在q≈2.1×10????1附近出現(xiàn)強(qiáng)峰，表明存在約1.6微米的致密物體。羥丙基甲基纖維素的分析結(jié)果也證實(shí)了類似的層級(jí)結(jié)構(gòu)，纖維狀束直徑為1.74微米，由20.6納米的半柔性纖維組成。對(duì)于羥丙基纖維素，小角X射線散射數(shù)據(jù)顯示其形成約90納米的纖維，未觀察到更小的結(jié)構(gòu)單元。

圖4 | 通過小角中子散射、小角光散射和小角X射線散射研究的多糖。 a, 1.2wt%甲基纖維素的變溫超小角中子散射和變溫小角中子散射數(shù)據(jù)，擬合半柔性圓柱模型和冪律模型。b, 0.2wt%甲基纖維素加熱至65°C的小角光散射Kratky圖，確認(rèn)形成直徑1.6-2.8微米的結(jié)構(gòu)。c, 2.0wt%羥丙基甲基纖維素的變溫超小角中子散射和變溫小角中子散射數(shù)據(jù)，擬合半柔性圓柱模型和雙冪律模型。d, 10.0wt%羥丙基纖維素的變溫小角X射線散射數(shù)據(jù)，擬合半柔性圓柱模型。

通過冷凍干燥掃描電子顯微鏡（圖5），研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了多糖水凝膠的層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。0.2wt%甲基纖維素冷凍干燥水凝膠顯示約300納米直徑的束狀結(jié)構(gòu)，由約15納米直徑的纖維組成；1.2wt%甲基纖維素則顯示約650納米直徑的束狀結(jié)構(gòu)；2.0wt%羥丙基甲基纖維素顯示約107納米直徑的束狀結(jié)構(gòu)。通過與液相透射電子顯微鏡和超小角中子散射數(shù)據(jù)比較，研究團(tuán)隊(duì)估算了脫水過程的影響：甲基纖維素纖維束收縮約81.5%，而羥丙基甲基纖維素纖維束收縮約94%，這反映了后者較高的水含量。

圖5 | 通過冷凍干燥掃描電子顯微鏡確認(rèn)多糖水凝膠中纖維束的形成。 a, 0.2wt%甲基纖維素水凝膠的掃描電子顯微鏡顯微圖，顯示約300納米脫水的纖維狀束構(gòu)成水凝膠網(wǎng)絡(luò)。b, 1.2wt%甲基纖維素水凝膠的冷凍干燥掃描電子顯微鏡顯微圖，顯示約650納米脫水的纖維狀束構(gòu)成水凝膠網(wǎng)絡(luò)。c, 2.0wt%羥丙基甲基纖維素水凝膠的冷凍干燥掃描電子顯微鏡顯微圖，顯示約107納米脫水的纖維狀束構(gòu)成水凝膠網(wǎng)絡(luò)。d, 15.0wt%羥丙基纖維素水凝膠的冷凍干燥掃描電子顯微鏡顯微圖，顯示約83納米脫水的纖維狀束構(gòu)成水凝膠網(wǎng)絡(luò)。

基于上述觀察，研究團(tuán)隊(duì)重新評(píng)估了半柔性生物聚合物網(wǎng)絡(luò)模型中的關(guān)鍵參數(shù)——持久長(zhǎng)度（圖6）。通過圖像分析，液相透射電子顯微鏡測(cè)得的持久長(zhǎng)度約為3.5微米，冷凍干燥掃描電子顯微鏡測(cè)得約2.4微米，而冷凍透射電子顯微鏡僅測(cè)得約366納米。將不同方法測(cè)得的持久長(zhǎng)度代入理論模型G′∝l?2c2·?后，發(fā)現(xiàn)基于液相透射電子顯微鏡和冷凍干燥掃描電子顯微鏡數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)流變學(xué)數(shù)據(jù)高度吻合，而基于冷凍透射電子顯微鏡和小角中子散射數(shù)據(jù)的擬合則嚴(yán)重低估了儲(chǔ)能模量。這表明，決定水凝膠強(qiáng)度的實(shí)際上是纖維束的持久長(zhǎng)度，而非納米級(jí)纖維或聚合物本身。

圖6 | 理論模型擬合流變學(xué)數(shù)據(jù)以確認(rèn)層級(jí)結(jié)構(gòu)。 a, 甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素和羥丙基纖維素水凝膠在80°C下振蕩剪切測(cè)量的流變學(xué)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合到G′∝l?2c?，其中l(wèi)?通過冷凍干燥掃描電子顯微鏡圖像分析確定。b, 描繪甲基纖維素纖維水凝膠在不同長(zhǎng)度尺度上的層級(jí)結(jié)構(gòu)的示意圖。

這項(xiàng)研究的意義在于，通過多種先進(jìn)表征技術(shù)的結(jié)合，首次清晰地揭示了纖維素醚水凝膠的真實(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，并建立了結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的定量關(guān)系。研究結(jié)論強(qiáng)調(diào)，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)纖維狀水凝膠的流變性能，必須采用原位液相方法觀察其真實(shí)形態(tài)，而不能僅依賴于傳統(tǒng)的小角散射或冷凍電鏡技術(shù)。未來研究將進(jìn)一步探索是否可以通過類似方法測(cè)量其他物理參數(shù)，如網(wǎng)孔尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類凝膠機(jī)械性能的直接預(yù)測(cè)，為模擬仿真和模型開發(fā)提供真實(shí)的物理參數(shù)輸入。