扬州大学高杰峰教授《自然·通讯》：高强度、抗疲劳仿生组织水凝胶

水凝胶因其柔软、湿润的特性及良好的生物相容性，在组织工程、软体机器人等领域展现出巨大潜力。然而，传统水凝胶的机械性能往往较差，强度、韧性和抗疲劳性难以兼顾，尤其在承载负荷的应用中容易失效。此外，各向异性结构的构建与性能的同步提升一直是个挑战。如何使水凝胶在模拟生物组织力学性能的同时，具备优异的耐久性和结构稳定性，成为该领域亟待解决的关键问题。

近日，扬州大学高杰峰教授提出了一种创新的渐进式纳米结晶策略，通过机械训练、湿法退火和盐析三步法，成功制备出具有层级结构的高强度、抗疲劳各向异性聚乙烯醇水凝胶。该方法不仅实现了 61±3 MPa的拉伸强度、106±27 MJ·m⁻³ 韧性和85±9 kJ·m⁻² 断裂能的优异力学性能，其抗疲劳阈值更高达 2083 J·m⁻²，同时具备良好的抗溶胀性和细胞引导能力，为负载型生物医学材料的设计提供了新思路。相关论文以“Hierarchical crack-resistant, tissue-mimetic hydrogels enabled by progressive nanocrystallization of anisotropic polymer networks”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先通过相变引导的层级工程策略，逐步构建各向异性网络。图1a示意了该制备流程：先经预冷冻形成氢键网络，再通过甘油/乙醇溶剂交换诱导分子聚集与结晶；随后在乙醇挥发控制下进行机械训练，使分子链沿应力方向排列；接着在高温甘油中进行湿法退火，修复缺陷并提升结晶度；最后通过柠檬酸钠盐析锁定取向结构。所得水凝胶展现出了肌腱级的强度，可举起自身重量12000倍的负载（图1b）。与纯PVA水凝胶相比，其拉伸强度与模量分别提升近25倍与60倍（图1c），力学性能超越某些人体关节韧带，接近肌腱水平（图1d）。

图1：各向异性水凝胶制备流程与性能示意图。 a 通过有机凝胶机械训练、湿法退火和盐锁定策略制备各向异性水凝胶的流程示意图。 b 水凝胶机械强度演示：一条水凝胶条带举起8公斤重物。 c 纯（各向同性）水凝胶与工程化各向异性水凝胶的拉伸应力与杨氏模量比较。数据以平均值±标准差表示，n=3个独立样本。 d 所开发水凝胶与多种天然生物组织力学性能的比较评估。

在力学性能方面，图2展示了不同处理阶段水凝胶的应力-应变曲线与性能对比。各向异性水凝胶AV15SH-120展现出最高强度（45.1±3.7 MPa）与韧性（66±12 MJ·m⁻³），逐步处理显著提升了其综合力学表现（图2a–c）。随着PVA浓度增加，力学性能进一步提升（图2d–f），且逐步处理在不同浓度下均有效（图2g–h）。尤其值得注意的是，AV15SH-120的断裂能达85±9 kJ·m⁻²，为各向同性样品的29倍以上（图2h），超越许多生物组织。图2i–l进一步将本研究水凝胶与文献报道的先进各向异性水凝胶进行对比，显示其在强度、韧性、含水率等方面具有显著优势。

图2：PVA水凝胶的力学性能。 a 不同PVA水凝胶（15 wt%）的拉伸应力-应变曲线，及其 b 拉伸强度与断裂应变、c 模量与韧性的汇总。 d 不同PVA水凝胶（20 wt%）的拉伸应力-应变曲线，及其 e 拉伸强度与断裂应变、f 模量与韧性的汇总。 g 不同方法制备的PVA水凝胶的含水量与 h 断裂能汇总。 i IV15SH、AV15H、AV15SH和AV15SH-90的力学性能比较。 综合力学性能比较：j 强度 vs. 模量，k 韧性 vs. 含水量，l 韧性 vs. 强度，将所制备PVA水凝胶与其他高韧性水凝胶并列展示。所有数据以平均值±标准差表示，n=3个独立样本。

微观结构表征（图3）揭示了渐进增强策略如何诱导分子至宏观尺度的有序排列。SEM图像显示，从各向同性的IV15SH到经过训练与盐析的AV15SH-120，结构逐渐从无序孔洞演变为高度取向的纳米纤维束（图3a-i至c-i）。WAXS与SAXS图谱证实了结构的逐步各向异性化：衍射环逐渐转变为弧形，取向因子从0.5提升至0.87（图3d），表明分子排列愈加规整。此外，结晶域尺寸增大、域间距离减小（图3h、j），说明盐析促使分子链聚集与致密化。XRD与DSC分析进一步证实，逐步处理显著提升了水凝胶的结晶度，干态结晶度从12.6%增至34.3%，溶胀态亦达17.0%（图3j），为其卓越力学性能提供了结构基础。

图3：不同水凝胶的微观形貌与晶体结构表征。 a IV15SH、b AV15H、c AV15SH-120的微观形貌比较，包括：(i) SEM图像，(ii) 小角X射线散射（SAXS）与 (iii) 广角X射线散射（WAXS）图谱。 d 2D WAXS图谱的方位角积分强度分布。 e 显示散射强度与散射矢量（q）关系的1D WAXS曲线。 f 2D SAXS图谱的方位角积分强度分布。 g 显示散射强度与散射矢量（q）关系的1D SAXS曲线（沿取向方向）。 h 计算得出的结晶域之间平均距离（所有数据沿纳米纤维取向方向）。 i X射线衍射（XRD）图谱。 j 干燥与溶胀状态下水凝胶的计算结晶度。 k 示意结晶域转变的示意图。结晶度与 l 数据以平均值±标准差表示，n=3个独立样本。

在抗裂纹扩展性能方面，图4显示经逐步处理的水凝胶疲劳阈值逐步提升，AV15SH-120高达2083 J·m⁻²（图4a–f）。即使经过10,000次循环加载，裂纹也未沿缺口扩展，反而出现沿纤维方向的分支（图4g），表现出类似生物材料的破坏模式，通过微裂纹分散能量、延缓整体失效。图4h-i示意了其多尺度抗疲劳机制：取向纤维束通过各向异性应力重分布偏转裂纹，结晶域作为刚性交联点钉扎裂纹，氢键则通过可逆断裂与重组耗散能量。

图4：不同水凝胶的抗疲劳性能。 a–e IV15SH、AV15H、AV15SH、AV15SH-90和AV15SH-120的裂纹扩展速率dc/dN与施加能量释放率G的关系图。 f 不同水凝胶疲劳阈值（Γ₀）汇总。 g AV15SH-120缺口样品在5000次和10000次循环后的照片，用于验证高达~1856 J m⁻²的疲劳阈值。疲劳阈值数据以平均值±标准差表示，n=3个独立样本。 h 不同水凝胶疲劳阈值与断裂强度的关系图。 i 各向异性水凝胶抗疲劳机制的示意图。

此外，该水凝胶展现出优异的抗溶胀性，在生理盐水中体积变化小于1.2%（图5a），浸泡7天后力学性能保持率超过85%（图5b–c）。生物相容性评价显示，NIH/3T3细胞在水凝胶表面存活率超过98%（图5d–e），且细胞沿纤维方向显著取向生长（图5f），表明其具有引导细胞定向排列的能力，适用于组织工程与再生医学。

图5：抗溶胀性与生物相容性。 a AV15SH-120在去离子水、生理盐水和PBS溶液中浸泡不同时间后的溶胀率。 b 在去离子水中浸泡7天前后的拉伸应力-应变曲线。 c 浸泡7天后拉伸强度、断裂应变和韧性的保持率。 d 在标准细胞培养板（对照）和AV15SH-120上培养NIH-3T3细胞1、3、5天后的活/死染色荧光图像。比例尺：200 μm。 e NIH-3T3细胞在1、3、5天的增殖能力。每组至少三个样本，结果以平均值±标准差表示。 f NIH-3T3成纤维细胞在不同基底上培养后的荧光图像（n≥20）。比例尺：100 μm。

总之，该研究通过仿生渐进式增强策略，成功构建出具有高强度、高韧性、优异抗疲劳性和良好生物相容性的各向异性水凝胶，突破了传统水凝胶力学性能与溶胀稳定性之间的权衡。该材料不仅模拟了肌腱的层级结构与软骨的抗裂纹扩展能力，更为设计下一代负载型生物医用材料、人工韧带、肌腱修复体等提供了可行的技术路线与理论依据。