《PNAS》清华大学高华健/新加坡国立大学翟玮: 仿生肌腱状水凝胶的多尺度增韧机制！

自然界充满了多层次的复合材料，它们通过自组装原理实现生物控制生长。与制造相反，生长行为使所有结构层面都具有灵活性。人们对软体动物壳、肌腱、骨骼和植物组织等天然材料的结构和变形行为进行了广泛研究，以提取仿生原理来开发新型材料。从大自然中汲取灵感，水凝胶和聚合物已被用于设计具有多层次结构的生物特征复合材料，利用其生物相容性、自组装能力和跨多个长度尺度的接合能力。通过结合定向冷冻铸造和盐析方法，人们开发出了具有分级结构的坚固的肌腱状纤维水凝胶，从而生产出具有优异机械性能的单一成分纤维水凝胶。将冷冻铸造与离子增强、溶液置换和退火等技术相结合，人们开发出了各种类型的坚韧且功能性的纤维水凝胶。这些水凝胶受益于分级结构工程和分子工程，同时提高了拉伸性、强度和韧性。

仿生材料研究超越了对天然材料的单纯观察和结构描述，旨在深入了解潜在的设计原理和控制生物系统中优化结构组织的物理/化学机制。为了实现这一目标，人们付出了很多努力来揭示和表征不同尺度上生物材料的结构-功能关系。例如，裂纹偏转和桥接在微观尺度上对增强断裂韧性起着重要作用。在纳米尺度上，当结构尺寸接近临界长度时，天然材料对缺陷的敏感性降低，而氢键的动态断裂和重新形成在分子尺度上控制着聚合物基材料的界面行为。尽管之前的研究努力表征纤维水凝胶的多尺度多机制，但忽视了纳米尺度的力学行为，而微观尺度模拟采用了理想化模型，其精度不如基于计算机断层扫描数据的模型。此外，预测的材料参数是通过逆方法得出的，缺乏微观力学分析。最重要的是，在理解不同尺度上力学性能之间的相关性和耦合效应方面仍然存在很大差距。

最近的研究已经根据天然材料的分层设计原理开发了许多制造仿生材料的策略。例如，通过机械训练开发出的类似肌肉的水凝胶具有出色的抗疲劳性。其潜在机制 - 例如排列整齐的纳米原纤维引起的裂纹钉扎、聚合物链拉伸和纳米原纤维滑动 - 已通过原位材料表征阐明。然而，对不同尺度上受自然启发的纤维水凝胶中增韧机制与由此产生的机械响应之间的关系的全面理解仍然难以实现。

2025年2月27日，新加坡国立大学(NUS)翟玮教授、清华大学高华健教授在国际权威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）上以 “ Multiscale toughening mechanisms in biomimetic tendon-like hydrogels ”为题发表研究论文。

本工作描述了肌腱状纤维水凝胶的多尺度机械行为，揭示了在多个尺度上发挥作用的复杂增韧机制 - 从动态分子相互作用和纳米级原纤维滑动，到各向异性的微观尺度特性和宏观性能 - 使用实验和模拟方法的组合。还解决了层次结构如何在不同尺度上表现出机械性能的悬而未决的问题，表明水凝胶、原纤维和链以 11.5:3.2:2 的比例依次降低应变水平。

图1. 肌腱状纤维水凝胶。（A）PVA 纤维的层次结构。（B）不同长度尺度下的机械行为、机制和性能放大。

在微观尺度上，类肌腱水凝胶呈现出高度有序的网络结构，由聚合物链、纳米粒子等组成的基本单元相互连接，形成具有特定几何形状和尺寸的孔隙，这些孔隙不仅为水分和营养物质的传输提供了通道，还在一定程度上影响了材料的力学性能。

在宏观尺度上，水凝胶整体表现出良好的柔韧性和弹性，能够承受较大的拉伸和压缩变形而不破裂，其形状和尺寸可以根据实际应用需求进行灵活设计。类肌腱水凝胶具有优异的拉伸强度和断裂伸长率，能够在反复拉伸过程中迅速恢复原状，展现出良好的弹性和抗疲劳性能。其压缩性能同样出色，在受到压缩力时能够有效缓冲并恢复形状，避免永久变形和损坏，这种良好的压缩性能对于模拟肌腱在关节等部位的受力情况具有重要意义。

图2. 纤维水凝胶的多尺度结构和机械特性。（A）GW-SF 的层次结构。（i）圆柱形 GW-SF 样品，（ii）CT 重建的具有硬纤维壁和软基质的各向异性复合材料，（iii）通过纳米机械映射获得的 2D 杨氏模量分布，（iv）原纤维和（v）纳米原纤维的 SEM 图像。（B）沿和（C）垂直于排列方向的拉伸应力-应变曲线。（D）沿排列方向的纯剪切应力-应变曲线。（E）AFM 截面图。（F）杨氏模量和（G）拉伸强度的总结。（H）计算出的韧性。（I）纤维和基质的杨氏模量。

在微观尺度下，聚合物链段在受力时会发生取向和滑移，纳米粒子则起到增强和限制作用，限制聚合物链的过度变形，从而提高材料的强度和韧性。水分子在微观结构中起到润滑和缓冲的作用，减少了聚合物链之间的摩擦，使材料在变形过程中能够更顺畅地运动，同时也有助于维持材料的稳定性和柔韧性。

在宏观尺度上，通过对类肌腱水凝胶进行拉伸、压缩、疲劳等力学测试，验证了其在微观尺度上的力学行为和变形机制，宏观测试结果与微观分析相一致，表明材料在不同尺度下具有良好的力学性能和稳定性。宏观尺度的验证还发现，水凝胶在不同环境条件下（如温度、湿度、pH值等）的力学性能变化较小，具有良好的环境适应性，这为其在复杂生物环境中的应用提供了保障。

图3. 微观机械响应和宏观验证。(A) 3d RVE 模型的重建过程。(B) GW-SF 的实验测量和数值计算的弹性模量 E11、E22 和 E33，以及它们在拉伸下的对应应力状态 (B’)。(C) GW-SF 的剪切模量 G12、G13 和 G23 以及它们在剪切下的对应应力状态 (C’)。(D) 沿方向 11 拉伸下的 GW-SF 成分。(E) 3d 弹性模量表面。(F) 实验测量和数值模拟的与纤维方向平行和垂直的应力-应变曲线。(G) 带有预裂纹的 GW-SF 的实验测量和数值模拟的应力-应变曲线。(H) 典型的钉扎效应，沿纤维方向发生侧向变形。(I) 钉扎效应的放大图。

在纳米尺度上，纳米粒子与聚合物链之间的相互作用力显著增强，形成了牢固的物理交联点，这些交联点在受力时能够有效分散应力，防止裂纹的产生和扩展。纳米粒子的存在还提高了水凝胶的模量和硬度，使其在纳米尺度上具有更好的力学支撑性能，能够承受更小尺度的力学刺激和损伤。

当受到外力作用时，纳米粒子周围的聚合物链会发生重排和调整，纳米粒子的加入限制了聚合物链的自由运动，使材料在变形过程中需要更大的能量来克服这种限制，从而提高了材料的变形难度和强度。纳米粒子与聚合物链之间的协同作用在材料的变形过程中起到了关键作用，这种协同作用不仅提高了材料的力学性能，还使其在变形后能够快速恢复，保持结构的完整性。

图4. 纳米级纤维水凝胶的力学行为和变形机制。(A) PPHB 的初始数量及其平均长度。(B) 这些数值模型的拉伸应力-应变曲线。(C) PPHB 的变化。(D) 拉伸力学性能的总结。(E 和 F) GW-SF 和 GW 模型的典型拉伸过程和变形机制。(G) 变形机制图。

在分子尺度上，聚合物链的化学结构和分子间作用力决定了水凝胶的基本力学性能，氢键、范德华力等分子间作用力在材料的形成和稳定过程中起着重要作用。分子链的长度、分支度、交联密度等参数对水凝胶的力学性能有显著影响，通过调节这些参数可以优化材料的性能，使其更接近天然肌腱的力学特性。

当外力超过水凝胶的承受极限时，分子链之间的化学键和物理交联点会逐渐断裂，导致材料的力学性能下降，出现裂纹和断裂等失效现象。分子链的断裂和交联点的破坏是水凝胶失效的主要原因，这种失效过程在分子尺度上表现为化学结构的变化和分子间作用力的减弱，进而影响到材料在宏观尺度上的力学性能和功能。

图5. 分子尺度上纤维水凝胶的力学行为和变形机制。(A) 原子模拟模型的应力-应变曲线 (B) 力学性能的总结。(C) 拉伸过程中 PPHB 的变化。(D) GW-SF 模型中的拉伸过程和变形机制。(E) 拉伸过程中 PGHB 的演变。(F) 各种模型中计算出的键能。(G) 设想的分子级增韧机制图解。

类肌腱水凝胶的增韧主要通过引入纳米粒子、调整聚合物链结构、增加交联密度等方法实现，纳米粒子能够有效分散应力，限制裂纹扩展，提高材料的韧性。聚合物链的优化设计，如增加链段的柔韧性和分子间作用力，也有助于提高材料的增韧效果，使其在受力时能够更好地吸收和耗散能量。

除了传统的增韧方法，还可以探索新的增韧策略，如利用智能材料和复合材料的设计理念，开发出具有自感知、自修复等特性的类肌腱水凝胶，进一步提高其性能和应用价值。在实际应用中，还需要考虑水凝胶与其他材料或生物组织的界面结合性能，通过表面改性和功能化处理，提高其生物相容性和与周围组织的协同作用，以满足不同应用场景的需求。

图6. 不同规模的分层纤维水凝胶增韧机制。(A) 牺牲键的断裂和重新形成。(B) 由于高度交联的网络导致的裂纹钉扎。(C) 纤维滑动。(D) 双连续相网络图解。(E) 裂纹扩展过程中的纤维桥接和拉拔。(F) 不同长度水平下归一化机械性能之间的关系。

本研究系统地探讨了类肌腱水凝胶的多尺度结构和力学性能，从微观到宏观全面解析了其力学行为和变形机制，揭示了纳米级和分子尺度上的力学特性及失效原因。提出了有效的增韧机制，并对未来的增韧策略和应用进行了深入讨论，为类肌腱水凝胶的进一步研究和开发提供了全面的理论支持和技术指导。深化了对类肌腱水凝胶力学性能与微观结构关系的理解，为材料科学领域提供了新的研究思路和方法。为组织工程、软体机器人等领域的应用提供了高性能的材料选择，有望推动相关技术的发展和创新。

本研究在某些方面还存在一定的局限性，如实验条件的控制、模型的简化等可能对结果的准确性产生一定影响。未来的研究可以进一步优化实验设计和模型构建，加强对水凝胶在复杂生物环境中的长期稳定性和生物安全性研究，探索更多创新的增韧和功能化方法，以满足不断增长的实际应用需求，推动类肌腱水凝胶在更多领域的成功应用。

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2424124122

来源：高分子科技