中國青年學者一作！最新《自然·通訊》：仿生高強度水凝膠問世：性能比肩人體韌帶！

人體內(nèi)強韌的韌帶連接骨骼、穩(wěn)定關節(jié)，但其驚人的機械性能——例如前十字韌帶高達約50 MPa的抗拉強度和約100 MPa的彈性模量——一直是合成材料難以企及的目標。盡管水凝膠因其生物相容性在組織修復領域前景廣闊，但其機械性能，尤其是強度和剛度，始終無法與承重生物組織相媲美，這成為韌帶修復與替代領域長期面臨的挑戰(zhàn)。

近日，加州大學圣地亞哥分校Jinhye Bae教授成功開發(fā)出具有韌帶樣機械性能的強、硬、韌水凝膠。該水凝膠由可組裝成平行束的纖維狀單元構(gòu)成，其靈感來源于生物結(jié)構(gòu)。這些纖維由嵌入連續(xù)互穿聚合物基質(zhì)中的聚合物-納米顆粒混合團聚體組成，通過強界面相互作用和空間限域?qū)崿F(xiàn)高效載荷傳遞與能量耗散，從而克服了傳統(tǒng)復合材料中強度/剛度與韌性/可拉伸性之間的權(quán)衡。最終，該材料實現(xiàn)了61±8 MPa的抗拉強度、131±15 MPa的彈性模量、135±11 MJ m?3的韌性以及超過400%的拉伸率，性能與天然韌帶相當。相關論文以“Hierarchically structuralized hydrogels with ligament-like mechanical performance”為題，發(fā)表在

Nature Communications

這項研究的核心始于對天然韌帶層級結(jié)構(gòu)的模仿。如圖1所示，天然韌帶由平行排列的膠原纖維束構(gòu)成。受此啟發(fā)，研究人員設計出由平行編織的水凝膠纖維束構(gòu)成的人工韌帶（圖1b-c）。單個水凝膠纖維（圖1f）的微觀結(jié)構(gòu)揭示了兩大關鍵特征：沿擠出方向高度排列的聚合物鏈（圖1d），以及垂直于擠出方向觀察到的、嵌入連續(xù)PVA基質(zhì)中的PVA-納米粘土（NC）混合團聚體（圖1e）。這種獨特的結(jié)構(gòu)是其卓越機械性能的基石。如圖1g-h所示，與天然韌帶及以往報道的PVA基水凝膠相比，本研究開發(fā)的PVA-NC/FT/S水凝膠在強度、模量和韌性上均達到了韌帶水平。

圖1. 模仿韌帶的分層級結(jié)構(gòu)化水凝膠。 （a）天然韌帶和（b）人工韌帶的示意圖，展示其由纖維構(gòu)成的層級排列結(jié)構(gòu)。（c）作為人工韌帶、由多根編織纖維組成的水凝膠束照片。比例尺，5毫米。（d）單根水凝膠纖維平行于擠出方向的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示排列的聚合物鏈。比例尺，5微米。（e）單根水凝膠纖維垂直于擠出方向的橫截面SEM圖像，顯示連續(xù)PVA基質(zhì)中的PVA-NC混合團聚體。箭頭指示混合團聚體。比例尺，100微米。（f）單根水凝膠纖維照片。比例尺，2厘米。（g, h）顯示PVA-NC/FT/S水凝膠（本工作）、天然韌帶以及先前報道的機械增強PVA基水凝膠的抗拉強度、彈性模量和韌性的圖表。所有詳細的機械性能及其文獻總結(jié)于補充表1。

為了制備這種高性能纖維，研究團隊采用了擠出、凍融（FT）和鹽析（S）相結(jié)合的工藝（圖2a）。納米粘土（NC）的加入是關鍵，它使初始的PVA-NC混合物呈現(xiàn)出粘彈性固體行為，無需凝固浴即可擠出成型（圖2b-d）。研究發(fā)現(xiàn)，單獨鹽析或凍融處理都無法獲得理想的性能，而將兩者順序結(jié)合，尤其是使用1.5 M檸檬酸鈉（Na?Citrate）進行鹽析時，僅需一個凍融循環(huán)即可獲得強韌的纖維（圖2e-h）。這表明協(xié)同處理工藝對形成增強的微觀結(jié)構(gòu)至關重要。

圖2. 水凝膠纖維的制備與機械性能。 （a）描繪水凝膠纖維制備過程（擠出、凍融（FT）和鹽析（S））的示意圖。（b）不同NC含量的PVA-NC混合物的儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨振蕩應力的變化，以及（c）粘度隨剪切速率的變化。（d）不同NC含量PVA-NC混合物的粘度和照片。粘度值為剪切速率1 s?1下的代表值。比例尺，5毫米。（e）用不同鹽溶液類型（1.5 M Na?SO?）進行S處理、不同F(xiàn)T循環(huán)次數(shù)形成的PVA-NC/FT/S水凝膠纖維的應力-應變曲線。（f）用1.5 M Na?Citrate進行S處理、不同F(xiàn)T循環(huán)次數(shù)形成的PVA-NC/FT/S水凝膠纖維的應力-應變曲線。（g）未經(jīng)鹽析、不同F(xiàn)T循環(huán)次數(shù)形成的PVA-NC/FT水凝膠纖維的應力-應變曲線。（h）經(jīng)單次FT循環(huán)和1.5 M Na?Citrate鹽溶液處理的PVA-NC/FT/S水凝膠纖維的抗拉強度和彈性模量。數(shù)據(jù)以平均值±標準差呈現(xiàn)（n = 5）。

隨著檸檬酸鈉濃度提高至2.8 M，水凝膠纖維的機械性能實現(xiàn)了全面飛躍，達到與韌帶媲美的水平（圖3a-c）。性能增強的機制源于其獨特的微觀結(jié)構(gòu)。X射線衍射（XRD）分析表明，在NC存在下，PVA形成了更完善、更大的結(jié)晶域，這是高剛度的重要來源（圖3e-f）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和差示掃描量熱法（DSC）分析則證實了PVA與NC之間強烈的氫鍵相互作用，以及NC對PVA鏈熱運動的限制，增強了界面結(jié)合（圖3g-h）。如圖3i所示，在拉伸載荷下，應力通過強界面作用從柔性PVA基質(zhì)有效傳遞至剛性PVA-NC團聚體，并通過跨越團聚體與基質(zhì)的聚合物鏈進行長距離傳遞，在此過程中耗散大量能量，從而實現(xiàn)高強、高韌。此外，通過結(jié)合拉伸和干退火后處理，可進一步將彈性模量提升至511 MPa甚至1182 MPa，同時保持超過150%的拉伸率（圖3j-m）。

圖3. 增強的機械性能與強化機制。 （a）應力-應變曲線，（b）抗拉強度和彈性模量，以及（c）不同濃度Na?Citrate下PVA-NC/FT和PVA-NC/FT/S水凝膠纖維的韌性。數(shù)據(jù)以平均值±標準差呈現(xiàn)（n = 5）。（d）分別為擠出纖維形態(tài)和澆鑄片狀形態(tài)的PVA-NC/FT/S水凝膠的應力-應變曲線。（e）NC、PVA/FT/S和PVA-NC/FT/S的XRD譜圖，證明在NC存在下PVA結(jié)晶域的形成。（f）來自PVA-NC/FT和PVA-NC/FT/S的XRD譜圖的PVA結(jié)晶峰。箭頭指示半高寬。（g）NC、PVA/FT/S和PVA-NC/FT/S的FTIR譜圖，證明PVA與NC之間的氫鍵作用。（h）不同NC含量的PVA-NC/FT/S的DSC譜圖，顯示熔化溫度隨NC含量不同而變化。（i）PVA-NC/FT/S水凝膠的機械強化與斷裂機制示意圖。（j）應力-應變曲線，（k）抗拉強度，（l）彈性模量，以及（m）PVA-NC/FT、PVA-NC/FT/St/S和PVA-NC/FT/St-D-A/S水凝膠纖維的韌性。數(shù)據(jù)以平均值±標準差呈現(xiàn)（n = 4）。

模仿天然韌帶的多纖維束結(jié)構(gòu)，研究人員將多根水凝膠纖維編織成束（圖4a）。與簡單分離的纖維相比，編織束的力學承載能力提高了一倍（圖4b）。編織結(jié)構(gòu)能使應力在纖維間均勻分布，延遲斷裂（圖4c-d）。一個由50根纖維編織而成的、直徑約3.5毫米的束，能夠承受13.6公斤的重物，展現(xiàn)出優(yōu)異的承載能力（圖4e）。除了卓越的機械性能，這種水凝膠束還展現(xiàn)出作為應變傳感器的潛力。當將其作為人工韌帶應用于人體骨骼模型的腿部（圖4f）和腕部（圖4h）時，它能在反復屈伸運動中檢測到電阻變化（ΔR），實現(xiàn)變形的實時監(jiān)測。較大變形對應較大的ΔR（圖4g），而腕部的小角度、階梯式彎曲也能被精確檢測，并產(chǎn)生成比例的ΔR變化（圖4i），顯示了其在生物醫(yī)學監(jiān)測與可穿戴傳感領域的應用前景。

圖4. 模仿韌帶的分層級結(jié)構(gòu)化水凝膠束。 （a）由多根（兩根到八根）纖維形成的水凝膠束照片。從左到右比例尺分別為1厘米和1毫米。（b）單根纖維、單獨分離的8根纖維以及8根纖維編織束的載荷-應變曲線。（c）單獨分離的8根纖維和（d）8根纖維編織束在張力下呈現(xiàn)不同斷裂行為的照片。從左到右比例尺分別為1厘米、1厘米和1毫米。（e）承受約13.6公斤重量的50根纖維編織水凝膠束照片。從左到右比例尺分別為5厘米和1毫米。（f）作為腿部人工韌帶的8根纖維編織水凝膠束在重復折疊與展開過程中的照片和（g）實時電阻變化。比例尺，1厘米。（h）作為腕部人工韌帶的水凝膠束在不同彎曲角度下的照片和（i）實時電阻變化。比例尺，1厘米。

這項研究通過模仿天然韌帶的層級結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)出兼具高強度、高剛度、高韌性和高拉伸性的仿生水凝膠。其性能不僅達到了韌帶水平，還可通過后處理進一步提升。由多根纖維編織而成的束狀結(jié)構(gòu)進一步增強了力學性能，并賦予了材料實時應變傳感的功能。此外，PVA-NC混合物良好的可擠出性使其能夠通過3D打印定制復雜形狀，拓寬了應用范圍。盡管鹽析形成的物理交聯(lián)遇水會溶脹軟化，但可通過疏水涂層進行保護。這項突破性進展為開發(fā)可用于軟組織機器人、導電凝膠電解質(zhì)、尤其是韌帶修復與替代的高性能生物材料開辟了新的道路，未來在生物工程領域具有廣闊的應用潛力。