Nature重磅 | 水凝胶生物材料获新突破!
小奇 2021-02-28
天然的承重材料(例如,肌腱)具有约70%的高含水量,但即使每年使用超过100万次循环,也仍然坚韧不拔,这是由于在多个长度范围内各向异性结构的分层组合所致的。


水凝胶是一类广泛的材料,其内部结构由交联聚合物或凝胶组成。它们有望用作替代组织,可以用于暂时闭合伤口,也可以作为长期甚至永久的解决方案。另外,凝胶可用于软机器人和可穿戴电子设备。

目前,合成水凝胶已通过电纺丝、挤压、复合、冷冻铸造、自组装和机械拉伸等方法制备的,以提高其力学性能。然而,与肌腱相比,许多具有相同高含水量的水凝胶并不表现出高强度、韧性或抗疲劳性。此外,聚合物聚集态的改变可以通过简单添加特定离子来实现,这种称之为Hofmeister效应,其中不同的离子具有不同的沉淀聚合物的能力。

成果简介
鉴于此,加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授等人采用了以前并未使用过的分子和结构工程方法的组合,即使用冷冻辅助盐析处理产生多长度尺度的分层水凝胶结构的策略来制备水凝胶。这种新方法来制备出的合成生物材料可以模仿肌腱和其他生物组织的内部结构、拉伸性、强度和耐久性。

此外,这些水凝胶可用于制备比天然组织还要坚韧10倍的人造腱、韧带和软骨。尽管水凝胶主要包含水而含有少量的聚合物(约10%的聚合物),但它们比100%聚合物的凯夫拉尔和橡胶更耐用。在此之前,在含水聚合物中从未实现过这种突破。新型水凝胶还可为植入式或可穿戴医疗设备提供涂层,以改善其贴合性、舒适性和长期性能。这项工作展示了一种与天然生物组织相当甚至比其强大的人造生物材料的前景广阔的途径。成果发表在Nature期刊上。

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双管齐下
研究人员在此使用了双管齐下的方法来增强现有水凝胶的强度,并使用聚乙烯醇(一种已经获得美国FDA批准的材料)制造水凝胶原型。

1)首先,研究人员使用了一种称为“冷冻浇铸”的方法,这种固化过程会产生类似于海绵的多孔且浓缩的聚合物。
2)其次,他们使用“盐析”处理将聚合物链聚集并结晶成坚固的原纤维。由此产生的新型水凝胶具有一系列跨越多个不同尺度的连接结构(从分子水平到几毫米)。这些多重结构的层次结构类似于生物对应结构,使材料更坚固、更可拉伸。

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图|HA-PVA水凝胶的制备和层次结构

性能卓越
产生的聚乙烯醇水凝胶是高度各向异性的,包括微米级的蜂窝状孔壁,其又包含相互连接的纳米纤维网络。他们测试了它的耐用性,在30,000次拉伸测试后没有发现退化的迹象。在光照下,新的水凝胶产生了逼真的微光,类似于真实的肌腱,证实了凝胶中形成的微/纳米结构。

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图|HA-PVA水凝胶的力学性能和结构演变

这些水凝胶的水含量为70%-95%,但其性能优于其他坚韧水凝胶甚至天然肌腱;例如,极限应力为23.5±2.7 MPa,应变水平达2900±450%,韧性为210±13 MJ/m3,断裂能为170±8 kJ/m3,疲劳极限为10.5±1.3 kJ/m2。除了生物医学应用之外,由于水凝胶的灵活性,这种进步还可能为操作无数次循环的外科手术机器或生物电子学以及以前无法实现的3D打印带来潜力。

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图|可调节机械性能和通用性

小结
综上所述,研究人员利用冷冻辅助盐析处理,开发出具有高强度、韧性、可拉伸性和抗疲劳性的层次结构水凝胶。考虑到Hofmeister效应在各种聚合物和溶剂体系中都存在,所提出的策略并不局限于本文所提出的体系。可以预见,借助于这一策略,原本较弱的水凝胶可以应用于医疗、机器人、能源和增材制造等领域。

参考文献:
Hua, M., Wu, S., Ma, Y. et al. Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out. Nature 590, 594–599 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03212-z



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