《AS》美国密歇根大学：Ca²⁺触发可时空调节韧性的水凝胶平台

近期，美国密歇根大学机械工程系、牙科学院团队在《Science Advances》发表研究：“Spatiotemporal toughness modulation in hydrogels through on-demand cross-linking”。研究团队突破传统 tough 水凝胶力学性能难时空调控的局限，提出潜伏性离子交联策略，开发出可时空调节韧性的水凝胶平台。该水凝胶以海藻酸盐/聚丙烯酰胺双网络为基体，嵌入碳酸钙（CaCO₃）微粒，通过直接墨水书写实现 CaCO₃ 空间图案化，借葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）按需释放 Ca²⁺ 触发离子交联。其刚度、韧性可按需调节，能制备具定制力学特性的 3D 水凝胶，界面韧性达 300 J/m²，还可用于各向异性冲击防护、定向应变传感，为多功能软材料提供新方案。

摘要

坚韧水凝胶由于其优异的弹性和生物相容性而在软机器人、生物电子学和组织粘合剂方面具有很好的应用前景，但其力学性能的精确时空控制仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种水凝胶平台，通过潜在的离子交联机制实现韧性的时空调节。通过将碳酸钙（CaCO 3）微粒嵌入藻酸盐/聚丙烯酰胺双网水凝胶中，我们创建了一个系统，在该系统中，局部钙释放和离子交联可以在空间和时间上进行编程。空间控制通过直接墨水书写CaCO 3实现，而时间激活由α-δ-内酯触发，α-δ-内酯是一种生物相容性酸化剂，可按需释放钙。这种策略允许用户自定义调整刚度和韧性，由此产生的材料为各向异性冲击屏蔽、定向应变传感和3D打印组织粘合剂提供了多功能平台，代表了自适应、可重构和多功能软材料的范式转变。

图解

图1:（A）顺序交联过程的示意图。首先聚合含有藻酸盐、丙烯酰胺（AAm）和分散的CaCO 3纳米颗粒/微米颗粒（NP/MP）的前体溶液以形成共价交联的PAAm初级网络。在随后的GDL处理后，Ca 2+从CaCO 3中释放，离子交联藻酸盐以形成次级网络。（B）具有或不具有GDL的负载CaCO 3的藻酸盐溶液的宏观凝胶化。在不存在GDL的情况下（顶行），溶液分散并在6分钟后保持未交联。相反，由于钙介导的交联，GDL触发可见的凝胶化（C）常规CaSO 4交联的DN水凝胶（左）和负载CaCO 3的DN水凝胶在GDL处理之前和之后的SEM图像CaCO 3颗粒在酸化之前是可见的（黄色箭头），并且在GDL处理之后消失。(D)负载CaCO 3的DN水凝胶在初始状态（时间= 0）和在去离子水中孵育1天后（有或没有GDL处理）的照片。没有GDL，凝胶膨胀和软化。有GDL，凝胶变得更加透明并抵抗变形。比例尺，10 mm [（B）和（D）]

图2：CaCO 3-GDL介导的交联调节水凝胶的刚度、韧性和拉伸性。（A）用或不用GDL处理的负载CaCO 3的DN水凝胶的代表性应力-拉伸曲线。插图显示拉伸下的GDL处理的水凝胶。（B至D）刚度（B）、韧性（C）、以及在固定CaCO 3含量（1%）下作为GDL浓度（0至1%）的函数的拉伸性（D）。（E至G）刚度（E），韧性（F），和水凝胶的拉伸性（G）作为CaCO 3含量的函数（0.5 - 3%）固定GDL处理（H）连续GDL处理下的时间依赖性机械性能。GDL浓度的逐步增加（情况1至情况3）实现可编程的加强;随后的EGTA处理逆转了情况3中的刚度。（I）CaCl 2浸泡的水凝胶和CaCO 3-GDL基水凝胶中离子交联的示意性比较。CaCl 2从外部扩散，导致表面偏向的交联。CaCO 3在酸暴露时能够实现均匀的内部交联。（J）通过压痕测试的机械均匀性的空间映射。CaCl 2-cross-在[（B）至（D）和（E）至（G）]中，使用普通的单因素ANOVA和事后Tukey多重比较; ns（不显著），*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，和 ****P < 0.0001。所有数据均显示为平均值± SD。

图3：通过基于挤出的3D印刷和按需增强来制造空间可编程的坚韧水凝胶。（A）印刷和交联过程的示意性概述。将包含AAm、藻酸盐、CaCO 3颗粒、丙烯酰胺交联剂和UV固化以形成初级共价网络，随后施加GDL以通过释放Ca < SUP > 2 +引发离子交联。显示UV固化后水凝胶形状保持性的手写演示。（C）使用标准挤出印刷机3D印刷栅格图案。（D）印刷栅格结构在GDL处理前后的照片。尽管为了视觉清晰度而印刷成多种颜色，但所用的所有油墨在组成上是相同的。（E）印刷栅格在增强后的拉伸和回复行为，（F和G）印刷复杂结构[例如，平面三角形晶格（F）和多材料层状晶格（G）]，以及它们在GDL处理后增强的机械稳定性和形状恢复。（H和I）另外的高分辨率印刷几何形状，包括花瓶（H）和棱锥（I，左）。用和不用GDL处理的锥体结构的循环压缩测试（I，右）。（J）经过五个循环的标准化高度。比例尺，10毫米[（B）、（D）、（F）、和（G）]、1毫米（H）、和5毫米（I）。

图4：空间图案化的机械各向异性提供了保护和界面功能。（A）含CaCO 3和不含CaCO 3区域之间界面处刚度的空间映射。（B）具有正交图案化的含CaCO 3（硬）和不含CaCO 3（软）区域的水凝胶构建体的照片。在手动变形下，方向相关的机械行为是明显的。（C）沿沿着正交方向的单轴拉伸力-拉伸曲线。（D和E）对具有各种层配置的水凝胶护罩进行冲击的FEA模拟。软硬排列最有效地重新分布冲击应力。（F和G）使用不同水凝胶组合保护的脆性小吃进行实验验证。在软硬组合中，断裂冲击最大化。（H至J）使用水凝胶包裹的生鸡蛋的跌落测试证实了冲击保护。包裹在软-硬水凝胶护罩中的鸡蛋在25 cm跌落后保持完整，而对照在冲击时断裂。（K）界面机械锁定的证明。未处理的水凝胶（软）在张力下滑动，而GDL处理的水凝胶（软）在张力下滑动。比例尺，10 mm [（F）、（H）和（K）]。在（G）中，使用具有事后Tukey多重比较的普通单因素ANOVA; ns（不显著），*P < 0.05，**P < 0.01，和 ****P < 0.0001。所有数据均以平均值± SD显示。

图5：机械可编程的水凝胶电极保持导电性并实现定向应变感测。（A）显示GDL处理之前（顶部）和之后（底部）水凝胶电极的机械变形的照片。（B）制备和GDL处理的水凝胶电极的刚度和（C）电导率。（D）作为应变的函数的相对电阻变化（ΔR/R）。响应于（E）的相对电阻变化逐步拉伸至200%，和（F）循环加载测试超过100次。（G）具有GDL处理和未处理区域的各向异性水凝胶电极的示意图，其能够进行定向应变感测。（H和I）当沿沿着软（H）或硬（I）轴拉伸时的定向感测性能。在[（B）和（C）]中，使用非配对Student t检验; ns（不显著）和 *P < 0.0001。所有数据显示为平均值± SD。

图6：水凝胶能够应用于水凝胶-水凝胶和水凝胶-组织粘附。（A）示意图，说明了水凝胶通过壳聚糖介导的界面结合与其他水凝胶或生物组织粘附的机制。（B）3D打印的水凝胶片之间的强结合。（C）3D打印的水凝胶与壳聚糖结合，支持500 g载荷而不分层。（D）照片显示了T-剥离试验，以评估水凝胶对组织的粘附。（E）水凝胶对皮肤和肌肉的粘附力-位移曲线，有（US+）或没有（US-）US处理。（F）界面韧性测量显示显著增强的粘附力。（G）水凝胶对肌肉组织的粘附力的实例。（H和I）US-能够实现快速和空间受控的水凝胶粘附。（J）干燥的、脱乙酰壳多糖预处理的水凝胶的强粘附性能。（K和L）3D打印的晶格和多材料层状水凝胶构建体与组织表面的共形附着。比例尺，10 mm [（B），（C），和（G）至（L）]。所有数据显示为平均值± SD。

结论

在这项工作中呈现的结果共同证明了我们的水凝胶平台的多功能性，其能够独立地和时空地调节机械性能，同时保持功能性能。在机械生物学领域，已经做出了相当大的努力来动态地调节水凝胶机械性能，例如刚度和粘弹性，以更好地模拟活组织的演变的物理环境，然而，这些研究主要集中在用于细胞培养应用的水凝胶上，具有相对有限的机械变化范围，并且凝胶本身通常是易碎的和机械薄弱的。相比之下，软材料力学领域已经产生了用于坚韧水凝胶的广泛配方，尽管大多数努力都集中在提高初始韧性而不是实现动态可调性上。直到最近才出现了在坚韧水凝胶中实现动态可调力学的策略。这些策略包括机械自由基聚合通过在变形过程中用于自增强的键断裂触发，用于机械自适应增强的循环载荷诱导的聚合物生长，用于可逆增韧而无损伤的滑环凝胶中的应变诱导结晶，和力触发的共价反应，其在负载下延伸聚合物链，这些策略中的大多数已经在涉及共价交联网络的组合的系统中得到证实，尽管单网络系统在某些情况下也显示出希望。