一、摘要

針對(duì)水凝膠難以兼顧極端力學(xué)穩(wěn)健性與仿組織功能的核心挑戰(zhàn)，本研究提出一種相變引導(dǎo)的層級(jí)工程策略，通過(guò)連續(xù)的機(jī)械訓(xùn)練、濕退火和鹽析工藝，逐步構(gòu)建各向異性聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)。該三相處理實(shí)現(xiàn)可編程結(jié)構(gòu)演化：機(jī)械訓(xùn)練使聚合物鏈取向排列，濕退火在釋放應(yīng)力的同時(shí)通過(guò)溶劑塑化重排穩(wěn)定取向結(jié)晶域，鹽析則通過(guò)鏈聚集和氫鍵增殖致密網(wǎng)絡(luò)。所得層級(jí)結(jié)構(gòu)通過(guò)多尺度能量耗散實(shí)現(xiàn)高抗疲勞性（閾值：2083 J?m?2），犧牲型氫鍵消耗能量，取向結(jié)晶域通過(guò)各向異性應(yīng)力重分布釘扎裂紋并偏轉(zhuǎn)其擴(kuò)展。該水凝膠展現(xiàn)出超越天然組織的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度：61±3 MPa，韌性：106±27 MJ?m?3，斷裂能：85±9 kJ?m?2），同時(shí)具備生物功能，可通過(guò)接觸引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞定向排列，并抵抗溶脹誘導(dǎo)的尺寸不穩(wěn)定（生理鹽水中體積變化僅 1.2%）。這種仿生工程策略為設(shè)計(jì)合成細(xì)胞外基質(zhì)提供了通用路徑，可同時(shí)模擬肌腱的各向異性力學(xué)性能和軟骨的裂紋鈍化韌性，對(duì)承重組織再生具有關(guān)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(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但聚合物網(wǎng)絡(luò)不均一導(dǎo)致其力學(xué)性能薄弱，存在強(qiáng)度低、韌性差、抗疲勞性不足等問(wèn)題。

受軟骨、肌腱等天然結(jié)構(gòu)組織啟發(fā)，各向異性水凝膠成為研究熱點(diǎn)，常用制備方法包括單向冷凍和機(jī)械拉伸，但單向冷凍所得水凝膠分子間作用弱，機(jī)械拉伸需結(jié)合鹽析、熱壓等工藝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)有各向異性水凝膠難以同時(shí)提升抗壓性能，存在強(qiáng)度 - 韌性制衡、抗疲勞性與抗溶脹性不足等問(wèn)題。

本研究核心目標(biāo)是提出機(jī)械訓(xùn)練、濕退火、鹽析一體化的漸進(jìn)式強(qiáng)化策略，利用高沸點(diǎn)溶劑甘油提升應(yīng)力傳遞和鏈流動(dòng)性，通過(guò)受限濕退火優(yōu)化鏈重排與結(jié)晶性，結(jié)合鹽析誘導(dǎo)鏈聚集，制備兼具高強(qiáng)度、高韌性、高抗疲勞性與抗溶脹性的各向異性水凝膠，同時(shí)賦予其生物相容性與細(xì)胞定向引導(dǎo)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(xué)對(duì)比及與天然生物組織的力學(xué)性能對(duì)比。

三、結(jié)果與分析

本研究通過(guò)預(yù)冷凍構(gòu)建亞穩(wěn)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)甘油 / 乙醇溶劑交換誘導(dǎo)大分子聚集形成原始結(jié)晶域，隨后在控制乙醇揮發(fā)條件下進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練，使聚乙烯醇鏈沿應(yīng)力軸取向，再經(jīng)甘油濕退火修復(fù)缺陷、提升結(jié)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(jié)構(gòu)，水相平衡后得到透明水凝膠。所得水凝膠具備肌腱樣強(qiáng)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(xué)性能接近天然肌腱，超越部分人體關(guān)節(jié)韌帶。

系統(tǒng)調(diào)控聚乙烯醇初始濃度、濕退火溫度和處理工藝，可精準(zhǔn)調(diào)控水凝膠力學(xué)性能與含水量。機(jī)械訓(xùn)練使分子鏈取向，顯著提升強(qiáng)度、模量與韌性；鹽析通過(guò)疏水自組裝增強(qiáng)結(jié)晶域連通性；濕退火溫度升高進(jìn)一步提升結(jié)晶度，克服傳統(tǒng)水凝膠強(qiáng)度 - 韌性制衡問(wèn)題。聚乙烯醇濃度從 10 wt% 增至 20 wt% 時(shí)，拉伸強(qiáng)度和模量顯著提升，韌性達(dá)最大值 106±27 MJ?m?3，排除濃度影響后，結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍使強(qiáng)度和韌性大幅提升，證實(shí)策略的核心作用。機(jī)械訓(xùn)練、濕退火和鹽析協(xié)同使斷裂能顯著提升，最高達(dá) 85±9 kJ?m?2，超越多數(shù)天然組織，纖維束各向異性排列與結(jié)晶度提升共同阻礙裂紋擴(kuò)展。

圖2. 聚乙烯醇水凝膠的力學(xué)性能：展示不同濃度、不同處理工藝下水凝膠的拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線、拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)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(xué)性能對(duì)比。

掃描電子顯微鏡觀察顯示，水凝膠從各向同性多孔結(jié)構(gòu)逐步演變?yōu)榧‰鞓尤∠蚣{米纖維結(jié)構(gòu)，經(jīng)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(shí)，各向異性水凝膠的衍射環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌浠?，取向度顯著提升，濕退火和鹽析有效穩(wěn)定取向結(jié)構(gòu)。X 射線衍射顯示，水凝膠結(jié)晶峰明顯，濕退火后出現(xiàn)新的晶面衍射峰，結(jié)晶度顯著提升；小角 X 射線散射分析表明相鄰結(jié)晶域平均距離減小，證實(shí)鏈聚集與網(wǎng)絡(luò)致密化；紅外光譜顯示羥基伸縮振動(dòng)紅移，表明分子間氫鍵作用增強(qiáng)。

圖3. 水凝膠的微觀形貌與結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征：展示各向同性、經(jīng)機(jī)械訓(xùn)練、經(jīng)機(jī)械訓(xùn)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(jié)晶相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果。

不同應(yīng)變下的加載 - 卸載實(shí)驗(yàn)顯示，水凝膠存在明顯滯后環(huán)，拉伸過(guò)程中氫鍵逐步斷裂并耗散能量；1000 次循環(huán)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(xié)同作用。各向同性水凝膠疲勞閾值較低，經(jīng)機(jī)械訓(xùn)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(huán) 10000 次，裂紋未沿缺口方向擴(kuò)展，呈現(xiàn)仿生失效模式，抗疲勞機(jī)制源于取向纖維的應(yīng)力重分布、結(jié)晶域的裂紋釘扎作用以及氫鍵的能量耗散協(xié)同。

圖4. 水凝膠的抗疲勞性能：展示不同水凝膠的裂紋擴(kuò)展速率與能量釋放率關(guān)系、疲勞閾值匯總、缺口樣本循環(huán)測(cè)試照片、疲勞閾值與斷裂強(qiáng)度關(guān)系及抗疲勞機(jī)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(jié)構(gòu)完整，浸泡前后力學(xué)性能變化微小，拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和韌性保留率分別達(dá) 90%、85% 和 95%，歸因于致密結(jié)晶域的交聯(lián)作用與網(wǎng)絡(luò)近平衡狀態(tài)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示，小鼠胚胎成纖維細(xì)胞在水凝膠表面培養(yǎng) 5 天的存活率達(dá) 98.46%±2.72%，無(wú)明顯細(xì)胞毒性；水凝膠的取向纖維結(jié)構(gòu)引導(dǎo)細(xì)胞沿纖維方向定向排列，具備模擬肌腱、神經(jīng)纖維等天然組織結(jié)構(gòu)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(yīng)力 - 應(yīng)變曲線、力學(xué)性能保留系數(shù)，以及細(xì)胞活死染色圖像、細(xì)胞增殖能力和細(xì)胞定向排列熒光圖像。

四、結(jié)論

本研究通過(guò)仿生漸進(jìn)式強(qiáng)化策略（機(jī)械訓(xùn)練→濕退火→鹽析）制備各向異性水凝膠，實(shí)現(xiàn)分子至宏觀尺度的層級(jí)取向。結(jié)構(gòu)表征表明，機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)分子取向，濕退火優(yōu)化構(gòu)象，鹽析鎖定取向結(jié)晶域（結(jié)晶度 34.3%），最終獲得力學(xué)協(xié)同效應(yīng)（拉伸強(qiáng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各向異性能量耗散，取向纖維束與結(jié)晶域 redistribution 應(yīng)力、抵抗裂紋萌生，動(dòng)態(tài)氫鍵耗散循環(huán)應(yīng)力；溶脹態(tài)高結(jié)晶度（17.03%）與鹽析穩(wěn)定的取向結(jié)構(gòu)確保生理環(huán)境下的耐久性，克服溶脹 - 力學(xué)制衡。該水凝膠兼具生物相容性與細(xì)胞定向引導(dǎo)功能，模擬肌腱層級(jí)礦化與裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制，為需同時(shí)滿足強(qiáng)度、抗疲勞性與生物相容性的承重生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新的水凝膠設(shè)計(jì)原則。

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

來(lái)源：高分子凝膠與網(wǎng)絡(luò)