【科研摘要】
在人造水凝胶的开发中，模拟具有理想的刚度和韧性组合的生物组织的机械性能至关重要。 为了达到这样的性能， 成均馆大学 Jaeyun Kim 教授 团队 采用了由天然结构复合材料启发的湿式水凝胶的设计原理。
具有生物启发性的结构复合水凝胶， 由层状微片和具有强烈的聚合物-血小板相互作用的聚合物基质组成，是通过一种简便的方法制备的，即干燥诱导的单向收缩和再水化过程以及二次离子交联。 所得的水凝胶具有高拉伸强度和弹性模量（几 个 MPa级）和高断裂能（最高≈2kJ·m -2 ）的组合。结果表明，生物启发方法的潜力有限地用于干燥复合材料中，以开发机械坚固的复合水凝胶。 相关论文以题为 Bioinspired Structural Composite Hydrogels with a Combination of High Strength, Stiffness, and Toughness 发表在《 A dvanced Functional Materials 》上。
【主图导读】
图1 重构复合水凝胶的设计与制备方法。 a–c）示意图，照片和SEM图像显示了重建过程每个步骤的水凝胶特性，i）干燥引起的单向收缩，ii）离子溶液中的水化/交联。CH和CH‐D‐Ba水凝胶的SEM图像是从冻干样品中获得的。d）可用于制造大而厚的重构水凝胶。通过层压工艺获得具有交替的纯聚合物水凝胶层和复合水凝胶层的杂化水凝胶。
图2 水凝胶和 Alu血小板粉的XRD图谱 。对复合水凝胶的不同方向（CH-D-Ba和CH-Ba）进行X射线衍射分析，揭示了水凝胶中的血小板取向。在重建的复合水凝胶（CH-D-Ba）中，通过施加在X射线上的X射线检测到（104），（006），（116），（018），（1010）和（1012）的Alu血小板晶面 在水凝胶侧面观察到X射线后观察到Alu血小板的（110），（113），（030）和（220）晶体位置，这表示形成了排列整齐的Alu血小板层 在CH‐D‐Ba中。在不进行重建的情况下获得的CH-Ba的XRD 图谱与 Alu粉末相似，表示CHlu中Alu血小板无序分布。
图3 水凝胶的机械性能和界面结合的影响。 a）应力-应变曲线，b）抗张强度和弹性模量，以及c）水凝胶的断裂能表明，重新排列的组分，致密的聚合物网络和分层的Alu血小板对机械性能有影响。在所有复合水凝胶中，血小板/聚合物的重量比均为2。d）拉伸试验破裂后的H-D-Ba（左）和CH-D-Ba（右）水凝胶的照片。重建的复合水凝胶（CH-D-Ba）断裂时具有宏观的裂纹挠度，而重建的聚合物水凝胶（H-D-Ba）断裂时显示出平滑的裂纹。e）水凝胶的FTIR光谱。f，g）湿水凝胶（Tm）和干水凝胶（Tg）的DSC曲线 。
图4 不同铝含量的各种阳离子交联水凝胶的机械性能。 a，b）血小板/聚合物重量比= 2时CH‐D‐M的应力-应变曲线，抗张强度，弹性模量和断裂能。c）CH‐D‐M的断裂能取决于氧化铝含量。d）重建水凝胶的断裂能和弹性模量。在重建的复合水凝胶中，Ba/交联的血小板/聚合物的重量比为2，Al-交联的为1.3，Fe交联的为0.5。可以实现断裂能与弹性模量之间的平衡。e）重建的复合水凝胶（CH-D-Fe）和原始复合水凝胶（CH）的应力-应变曲线，其血小板/聚合物重量比= 0.5。f）带有预裂纹的H-Fe和CH-D-Fe的裂纹扩展阻力差异。
图5 通过实验结果和理论估计获得的机械性能的比较。 a）基于混合和剪切滞后模型的规则，根据血小板体积分数估算重构水凝胶的拉伸强度和b）弹性模量。实验结果通常适合高达0.2体积分数的估计值。与聚合物交联的更强阳离子形成更强的血小板/聚合物界面，以及更致密和更坚固的聚合物基质。
【总结】
团队展示了受生物启发的结构 CH，其结构和机械特性受珍珠质的设计原理和断裂机理的启发。基于重建过程， 该过程包括干燥引起的单向收缩和随后的水合以及额外的交联，成功地将聚合物网络和微片重新排列为湿水凝胶中的分层结构。 最终的结构CH承受了更多的载荷并耗散了更多的能量，并在血小板拉出时产生了裂纹变形。该结果证明了受生物启发的设计原理的潜力和适用性，该原理已被有限地应用于干聚合物复合材料，以制备机械坚固的湿水凝胶，其机械特性与诸如韧带和腱等承重生物组织的机械特性相似。
此外，团队希望通过将拟议的重建工艺与常规拉制工艺和冷冻浇铸以及内部 /外部矿化相结合，开发出具有理想强度，刚度和韧性组合的功能性水凝胶，这些水凝胶具有分层的层状结构。诸如组织工程，软机器人和柔性生物电子学之类的应用。这种策略将使水凝胶具有更强的机械强度并更紧密地模拟承重组织。 通过在独特的结构中加载生物活性分子和生长因子，可以替代/填充/支撑衰老和受损的组织。另外，当引入水凝胶以用作生物组织与刚性电子器件之间的界面材料时，水凝胶中的分层Alu血小板的良好热扩散性也可能防止电子组件引起热定位和热损伤。
参考文献 ： doi.org/10.1002/adfm.202101095
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