华工施雪涛/中大杨纯臻/广工高粱：卷曲结构的仿生应变强化水凝胶

【摘要】

合成水凝胶是独特的组织模拟物，但很少重现天然组织的应变硬化特性。这种机械失配损害了水凝胶在实际应用中的性能。受胶原组织卷曲结构的启发，广东工业大学高粱副教授/中山大学材料学院杨纯臻副教授/华南理工大学施雪涛教授团队共同开发了一系列由弯曲平行纤维组成的应变硬化水凝胶。

这些纤维由一束由短的烷基侧链改性聚合物链组成的交织纳米纤丝构成。这种分层组织能够实现精细的级联变形，促进软到硬和回弹到粘弹性的转变，从而协同模拟天然组织的应变自适应硬化和阻尼行为。结合结构演化和本构模型，合理调整弯曲纤维的曲折度和柔韧性会产生应变硬化特性和前所未有的对多个组织区域的渗透的多样化组合。卷曲结构和由此产生的硬化特性构成了对用于胶原组织修复的基于纳米纤维的支架的重大改进。相关论文以题为Biomimetic Strain-Stiffening Hydrogel with Crimped Structure发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 用于组织样应变自适应硬化的水凝胶的仿生设计。

图2 通过重塑非结构化水凝胶制备组织模拟水凝胶。

图3 SRC-4-20 的应变自适应力学。

图4 SRC-4-20 多尺度结构的演变。

图5 平行卷曲纤维的粘弹性模型。a) 用于拟合 SRC-n-t 水凝胶拉伸行为的半结构模型。b) 模型应用于测试结果。使用本构模型得到的拉伸曲线用实线表示，物理试验结果用虚线表示。没有模型的缓冲器组件，计算曲线（黑色虚线）与实验数据（黑色实线）迅速偏离。数值解是通过使用MATLAB获得的。

图6 在卷曲结构上培养的细胞可以承受外部拉伸。a) 在非结构化 C8-0.1、SRC-4-20 和 SRC-7-20 上培养大鼠皮肤成纤维细胞。播种48 h后，对样品进行静态拉伸拉伸24 h；b) 在静止和拉伸状态的三组样品上培养的大鼠皮肤成纤维细胞的活/死染色。箭头表示纳米纤维的排列和外部施加的单轴应变方向。比例尺为 250 µm。红点和绿点分别表示死细胞和活细胞。请注意，合并的红点和绿点可能会显示为黄色。

【总结】

胶原组织的收缩模型启发了一种组织模拟水凝胶，其具有通过可逆疏水缔合交联的对齐和卷曲纤维结构。通过重塑非结构化的短烷基侧链改性 PVA 水凝胶，实现了分层结构。工程化的组织模拟水凝胶表现出 J 形拉伸曲线，在低应变下表现为高弹性材料，在高应变下表现为减震材料。弹性和力阻尼状态之间的快速转变是由拉伸过程中多尺度力学的伸缩响应引起的：弯曲的纤维首先通过熵弹性拉直并储存能量，随后拉直的纤维的拉伸通过动态解离/重新结合来耗散能量的疏水域。团队可以利用这种结构-性能关系，通过调节重塑过程轻松调节应变硬化参数，包括杨氏模量、应变硬化开始时的临界拉伸点和应变硬化能力。团队应变自适应水凝胶的定制力学、通用加工性和有效生物相容性的成功结合促使我们设想一系列组织模拟物作为可植入结构基质或生物组织替代的潜在平台。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104139

版权声明：「高分子材料科学」旨在分享学习交流高分子聚合物材料及科研等领域的研究进展和新闻。编辑水平有限，上述仅代表个人观点，详见原文。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！