基于漸進式納米晶化的分級抗裂紋仿組織水凝膠

《Nature Communications》：Hierarchical crack-resistant, tissue-mimetic hydrogels enabled by progressive nanocrystallization of anisotropic polymer networks

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在生物醫(yī)學領(lǐng)域，水凝膠因其與人體軟組織相似的“軟濕”特性、良好的生物相容性和可調(diào)控的物理化學性質(zhì)，被視為極具潛力的組織工程支架和仿生材料。然而，傳統(tǒng)水凝膠往往面臨一個棘手的矛盾：為了實現(xiàn)組織仿生的柔軟度和高含水率，其聚合物網(wǎng)絡(luò)通常較為疏松，這導致力學性能普遍較差，表現(xiàn)為強度低、韌性不足、易疲勞斷裂。尤其是在承重組織（如肌腱、軟骨）修復應用中，材料不僅需要承受持續(xù)的機械負荷，還需在濕態(tài)生理環(huán)境中保持尺寸穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。長期以來，研究者們致力于通過多種策略提升水凝膠的力學性能，例如引入各向異性結(jié)構(gòu)來模擬天然組織的纖維取向。常用的方法包括單向冷凍和機械拉伸等，但這些方法往往難以同步實現(xiàn)高強度、高韌性、高抗疲勞性以及優(yōu)異的抗溶脹性能。如何打破水凝膠材料強度與韌性之間的此消彼長關(guān)系，并使其在復雜生理環(huán)境中穩(wěn)定服役，是當前水凝膠研究面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對上述挑戰(zhàn)，揚州大學高杰峰教授團隊在《Nature Communications》上發(fā)表了一項創(chuàng)新性研究。他們受天然肌腱和軟骨等結(jié)構(gòu)性組織的啟發(fā)，提出了一種名為“漸進式納米晶化”的分級工程策略，成功制備出兼具超高力學性能、優(yōu)異抗疲勞性、抗溶脹性及生物功能性的各向異性聚乙烯醇（PVA）水凝膠。該研究的核心在于通過機械訓練、濕法退火和鹽析三個連續(xù)且協(xié)同的步驟，逐步構(gòu)建并穩(wěn)定化水凝膠中的各向異性聚合物網(wǎng)絡(luò)。

研究人員為開展此項研究，主要運用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：通過溶劑交換（甘油/乙醇）和預冷凍制備初始PVA有機凝膠；利用萬能試驗機對有機凝膠進行循環(huán)機械訓練以誘導分子鏈取向；在甘油環(huán)境中進行濕法退火以優(yōu)化鏈構(gòu)象和結(jié)晶度；采用鈉鹽（如檸檬酸鈉）溶液進行鹽析處理以鎖定各向異性結(jié)構(gòu)；通過掃描電子顯微鏡（SEM）、廣角/小角X射線散射（WAXS/SAXS）、X射線衍射（XRD）、差示掃描量熱法（DSC）等手段系統(tǒng)表征材料的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶行為；利用萬能試驗機進行單軸拉伸、循環(huán)加載-卸載、純剪切和疲勞測試以評估力學性能；并通過細胞培養(yǎng)（NIH/3T3小鼠胚胎成纖維細胞）、CCK-8法和Live/Dead染色評價材料的生物相容性和細胞導向能力。

力學性能

研究團隊系統(tǒng)地表征了不同處理階段PVA水凝膠的力學性能。結(jié)果表明，三步漸進式處理策略（機械訓練→濕法退火→鹽析）顯著提升了水凝膠的綜合力學性能。各向同性水凝膠（IV15SH）的拉伸強度僅為1.8±0.3 MPa，而經(jīng)過三步處理后的各向異性水凝膠（AV15SH-120）的拉伸強度高達45.1±3.7 MPa，AV20SH-120更是達到了61±3 MPa的極高強度，較各向同性樣品提升了約25倍。同時，其韌性達到106±27 MJ·m^-3，楊氏模量提升至58±8 MPa，成功打破了強度與韌性之間的傳統(tǒng)權(quán)衡關(guān)系。斷裂能測試顯示，AV15SH-120的斷裂能為85±9 kJ·m^-2，遠超許多天然生物組織（如骨骼肌~2.5 kJ·m^-2，軟骨~1 kJ·m^-2，肌腱~20-30 kJ·m^-2）。水含量可在50-90 wt%范圍內(nèi)精確調(diào)控，與生物組織含水量相當。

微觀結(jié)構(gòu)表征

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，各向同性水凝膠（IV15SH）呈現(xiàn)無序的多孔結(jié)構(gòu)，而經(jīng)過機械訓練和后續(xù)處理的水凝膠（AV15SH-120）則顯示出高度取向的納米纖維束結(jié)構(gòu)，類似于天然肌腱的層次結(jié)構(gòu)。WAXS和SAXS分析證實了處理過程中分子取向度和結(jié)晶度的顯著提升。AV15SH-120的取向因子高達0.87，表明PVA分子鏈沿拉伸方向高度排列。XRD和DSC分析表明，漸進式處理策略顯著提高了水凝膠的結(jié)晶度，干態(tài)結(jié)晶度從IV15SH的12.63%提升至AV15SH-120的34.3%，溶脹狀態(tài)下的結(jié)晶度也達到17.03%。SAXS分析進一步顯示，相鄰晶體域之間的平均距離減小，表明聚合物鏈聚集和網(wǎng)絡(luò)密實化。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）揭示了羥基伸縮峰的紅移，證明了分子間氫鍵的增強，這是能量耗散和力學增強的關(guān)鍵機制之一。

抗裂紋擴展性能

抗疲勞性能是衡量材料在實際應用中耐久性的關(guān)鍵指標。單邊缺口疲勞測試結(jié)果表明，漸進式處理策略極大地提高了水凝膠的抗裂紋擴展能力。各向同性水凝膠IV15SH的疲勞閾值僅為~87.2 J·m^-2，而AV15SH-120的疲勞閾值高達~2083 J·m^-2。在高達2083 J·m^-2的能量釋放率下循環(huán)加載10,000次，裂紋并未沿缺口方向擴展，而是出現(xiàn)了類似于生物材料的分叉現(xiàn)象，有效地分散了能量，避免了災難性破壞。循環(huán)加載-卸載實驗顯示，AV15SH-120具有最大的滯后環(huán)，耗散能高達1959 kJ·m^-3，這歸因于氫鍵的可逆斷裂/重組和分子鏈滑移帶來的高效能量耗散。

抗溶脹性和生物相容性

在生理環(huán)境中保持尺寸穩(wěn)定性對于水凝膠的實際應用至關(guān)重要。將AV15SH-120水凝膠浸泡在去離子水、生理鹽水和PBS溶液中7天后，其體積變化率均低于1.2%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性能。溶脹后的水凝膠仍能保持90%的拉伸強度、85%的斷裂應變和95%的韌性，證明了其在水環(huán)境中的力學穩(wěn)定性。細胞毒性實驗（CCK-8法和Live/Dead染色）顯示，與AV15SH-120水凝膠共培養(yǎng)的NIH/3T3細胞存活率超過95%，在第5天高達98.46%±2.72%，表明材料具有良好的生物相容性。更為重要的是，由于水凝膠的各向異性結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)在其上的細胞表現(xiàn)出沿纖維方向的明顯取向生長，展現(xiàn)了其引導細胞定向排列的能力，這在肌腱、神經(jīng)等定向組織再生中具有重要應用價值。

綜上所述，這項研究通過一種仿生的漸進式增強策略，成功構(gòu)建了具有分級有序結(jié)構(gòu)的各向異性PVA水凝膠。該策略巧妙地結(jié)合了機械訓練誘導分子鏈取向、濕法退火優(yōu)化鏈構(gòu)象和結(jié)晶度、以及鹽析鎖定各向異性結(jié)構(gòu)這三個關(guān)鍵步驟，協(xié)同提升了水凝膠的力學性能、抗疲勞性和穩(wěn)定性。所得水凝膠不僅實現(xiàn)了肌腱級別的強度（61±3 MPa）和軟骨級別的抗裂紋擴展能力（疲勞閾值~2083 J·m^-2），還具備了優(yōu)異的抗溶脹性和生物相容性，并能引導細胞定向生長。這項研究的意義在于，它為解決水凝膠材料長期以來難以兼顧力學性能與生物功能的矛盾提供了一個普適性的設(shè)計原則，即通過跨尺度的漸進式對齊和納米晶化工程來規(guī)避強度-韌性-溶脹性之間的權(quán)衡關(guān)系。所開發(fā)的水凝膠在負載型組織工程（如人工肌腱、韌帶、軟骨修復）以及生物電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，為設(shè)計下一代高性能生物醫(yī)用材料開辟了新的道路。