揚州大學高杰峰NC：各向異性聚合物網絡漸進式納米結晶構建層級抗撕裂仿組織水凝膠

一、摘要

針對水凝膠難以兼顧極端力學穩健性與仿組織功能的核心挑戰，本研究提出一種相變引導的層級工程策略，通過連續的機械訓練、濕退火和鹽析工藝，逐步構建各向異性聚乙烯醇網絡。該三相處理實現可編程結構演化：機械訓練使聚合物鏈取向排列，濕退火在釋放應力的同時通過溶劑塑化重排穩定取向結晶域，鹽析則通過鏈聚集和氫鍵增殖致密網絡。所得層級結構通過多尺度能量耗散實現高抗疲勞性（閾值：2083 J?m?2），犧牲型氫鍵消耗能量，取向結晶域通過各向異性應力重分布釘扎裂紋并偏轉其擴展。該水凝膠展現出超越天然組織的力學性能（拉伸強度：61±3 MPa，韌性：106±27 MJ?m?3，斷裂能：85±9 kJ?m?2），同時具備生物功能，可通過接觸引導實現細胞定向排列，并抵抗溶脹誘導的尺寸不穩定（生理鹽水中體積變化僅 1.2%）。這種仿生工程策略為設計合成細胞外基質提供了通用路徑，可同時模擬肌腱的各向異性力學性能和軟骨的裂紋鈍化韌性，對承重組織再生具有關鍵意義。

二、研究背景

水凝膠具有 “軟 - 濕” 特性，仿生性能突出，生物相容性良好，在組織工程、軟機器人等領域應用前景廣闊，但聚合物網絡不均一導致其力學性能薄弱，存在強度低、韌性差、抗疲勞性不足等問題。

受軟骨、肌腱等天然結構組織啟發，各向異性水凝膠成為研究熱點，常用制備方法包括單向冷凍和機械拉伸，但單向冷凍所得水凝膠分子間作用弱，機械拉伸需結合鹽析、熱壓等工藝優化結構，且現有各向異性水凝膠難以同時提升抗壓性能，存在強度 - 韌性制衡、抗疲勞性與抗溶脹性不足等問題。

本研究核心目標是提出機械訓練、濕退火、鹽析一體化的漸進式強化策略，利用高沸點溶劑甘油提升應力傳遞和鏈流動性，通過受限濕退火優化鏈重排與結晶性，結合鹽析誘導鏈聚集，制備兼具高強度、高韌性、高抗疲勞性與抗溶脹性的各向異性水凝膠，同時賦予其生物相容性與細胞定向引導功能。

圖1. 各向異性水凝膠的制備流程與性能：展示制備示意圖、水凝膠吊重性能、各向同性與各向異性水凝膠力學對比及與天然生物組織的力學性能對比。

三、結果與分析

本研究通過預冷凍構建亞穩態氫鍵網絡，經甘油 / 乙醇溶劑交換誘導大分子聚集形成原始結晶域，隨后在控制乙醇揮發條件下進行機械訓練，使聚乙烯醇鏈沿應力軸取向，再經甘油濕退火修復缺陷、提升結晶度與氫鍵密度，最后用檸檬酸鈉溶液鹽析鎖定各向異性結構，水相平衡后得到透明水凝膠。所得水凝膠具備肌腱樣強度，可吊起自身重量 12000 倍的物體，軟骨樣抗裂性，各向異性因子大于 0.8，力學性能接近天然肌腱，超越部分人體關節韌帶。

系統調控聚乙烯醇初始濃度、濕退火溫度和處理工藝，可精準調控水凝膠力學性能與含水量。機械訓練使分子鏈取向，顯著提升強度、模量與韌性；鹽析通過疏水自組裝增強結晶域連通性；濕退火溫度升高進一步提升結晶度，克服傳統水凝膠強度 - 韌性制衡問題。聚乙烯醇濃度從 10 wt% 增至 20 wt% 時，拉伸強度和模量顯著提升，韌性達最大值 106±27 MJ?m?3，排除濃度影響后，結構優化仍使強度和韌性大幅提升，證實策略的核心作用。機械訓練、濕退火和鹽析協同使斷裂能顯著提升，最高達 85±9 kJ?m?2，超越多數天然組織，纖維束各向異性排列與結晶度提升共同阻礙裂紋擴展。

圖2. 聚乙烯醇水凝膠的力學性能：展示不同濃度、不同處理工藝下水凝膠的拉伸應力 - 應變曲線、拉伸強度、斷裂應變、模量、韌性、含水量及斷裂能，以及與其他韌性水凝膠的綜合力學性能對比。

掃描電子顯微鏡觀察顯示，水凝膠從各向同性多孔結構逐步演變為肌腱樣取向納米纖維結構，經濕退火和鹽析后纖維排列更致密有序。廣角 X 射線散射和小角 X 射線散射證實，各向異性水凝膠的衍射環轉變為衍射弧，取向度顯著提升，濕退火和鹽析有效穩定取向結構。X 射線衍射顯示，水凝膠結晶峰明顯，濕退火后出現新的晶面衍射峰，結晶度顯著提升；小角 X 射線散射分析表明相鄰結晶域平均距離減小，證實鏈聚集與網絡致密化；紅外光譜顯示羥基伸縮振動紅移，表明分子間氫鍵作用增強。

圖3. 水凝膠的微觀形貌與結晶結構表征：展示各向同性、經機械訓練、經機械訓練 - 濕退火 - 鹽析處理水凝膠的掃描電子顯微鏡圖像、小角 X 射線散射圖譜、廣角 X 射線散射圖譜，以及結晶相關參數計算結果。

不同應變下的加載 - 卸載實驗顯示，水凝膠存在明顯滯后環，拉伸過程中氫鍵逐步斷裂并耗散能量；1000 次循環加載 - 卸載后，耗散能量大幅提升，歸因于氫鍵可逆斷裂 - 重組與鏈滑移協同作用。各向同性水凝膠疲勞閾值較低，經機械訓練、濕退火和鹽析后，疲勞閾值最高提升至 2083 J?m?2；在恒定能量釋放率下循環 10000 次，裂紋未沿缺口方向擴展，呈現仿生失效模式，抗疲勞機制源于取向纖維的應力重分布、結晶域的裂紋釘扎作用以及氫鍵的能量耗散協同。

圖4. 水凝膠的抗疲勞性能：展示不同水凝膠的裂紋擴展速率與能量釋放率關系、疲勞閾值匯總、缺口樣本循環測試照片、疲勞閾值與斷裂強度關系及抗疲勞機制示意圖。

水凝膠在去離子水、生理鹽水和 PBS 溶液中浸泡 7 天后，體積變化始終低于 1.2%，保持結構完整，浸泡前后力學性能變化微小，拉伸強度、斷裂應變和韌性保留率分別達 90%、85% 和 95%，歸因于致密結晶域的交聯作用與網絡近平衡狀態。細胞實驗顯示，小鼠胚胎成纖維細胞在水凝膠表面培養 5 天的存活率達 98.46%±2.72%，無明顯細胞毒性；水凝膠的取向纖維結構引導細胞沿纖維方向定向排列，具備模擬肌腱、神經纖維等天然組織結構的潛力。

圖5. 水凝膠的抗溶脹性與生物相容性：展示水凝膠在不同溶液中的溶脹率、溶脹前后的拉伸應力 - 應變曲線、力學性能保留系數，以及細胞活死染色圖像、細胞增殖能力和細胞定向排列熒光圖像。

四、結論

本研究通過仿生漸進式強化策略（機械訓練→濕退火→鹽析）制備各向異性水凝膠，實現分子至宏觀尺度的層級取向。結構表征表明，機械訓練誘導分子取向，濕退火優化構象，鹽析鎖定取向結晶域（結晶度 34.3%），最終獲得力學協同效應（拉伸強度 61±3 MPa、韌性 106±27 MJ?m?3、斷裂能 85±9 kJ?m?2、疲勞閾值 2083 J?m?2）。水凝膠的仿生結構實現各向異性能量耗散，取向纖維束與結晶域 redistribution 應力、抵抗裂紋萌生，動態氫鍵耗散循環應力；溶脹態高結晶度（17.03%）與鹽析穩定的取向結構確保生理環境下的耐久性，克服溶脹 - 力學制衡。該水凝膠兼具生物相容性與細胞定向引導功能，模擬肌腱層級礦化與裂紋偏轉機制，為需同時滿足強度、抗疲勞性與生物相容性的承重生物醫學應用提供了新的水凝膠設計原則。

原文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-65917-3

來源：高分子凝膠與網絡