《CEJ》河北农业大学王志奎：时空可控交联制备坚韧类组织各向异性PVA水凝胶！

A spatiotemporal controllable crosslinking route for preparing tough tissue-like anisotropic PVA hydrogel

DOI：10.1016/j.cej.2023.142882

通讯作者：河北农业大学王志奎副教授

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142882

高度有序的多层组装结构赋予生物组织优异且独特的力学性能。迄今为止，由于缺乏时空可控的交联策略，通过传统凝胶化路线制备具有类组织结构的人工材料仍面临较大挑战。本文提出一种动态硼酸酯键辅助的方法，实现聚乙烯醇(PVA)水凝胶的时空可控交联，从而为制备仿生各向异性PVA水凝胶结构提供了可行路径。本研究中，可根据需求对聚合物链进行定向排列与再交联。所得各向异性水凝胶的断裂强度可达约8.0 MPa，分别是冻融法和盐析法制备水凝胶断裂强度的34倍和12倍。通过偏光显微镜、X射线衍射和扫描电子显微镜表征可知，该方法制备的水凝胶具有高度有序的结构和良好的抗溶胀性能。利用该方法还可制备出多种具有单轴层级或多层组装结构的类组织水凝胶。本研究提供了一种简便、温和且时空可控的制备路线，用于构建坚韧的仿生水凝胶结构，该结构在生物医学工程或软机器领域具有潜在应用价值。

生物组织本质上是一种水凝胶，其独特的力学性能与其复杂的各向异性结构密切相关[1,2]。具有各向异性结构的水凝胶，不仅在聚合物链排列方向上的拉伸强度可提升一个数量级，还具备优异的抗疲劳性能，其综合性能与肌肉组织更为接近[3]。力学强度提升的一个重要原因在于：拉伸后定向排列的聚合物链相互靠近，从而产生更多分子间作用力（如氢键、分子链结晶等）[4,5]。这类各向异性水凝胶可用于开发人工心血管[6]、关节软骨[7]、伤口敷料[8]等医用材料；此外，兼具独特响应性能与离子导电性的各向异性水凝胶，还可用于研发高灵敏度驱动器[9]与传感器[10]。聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性、无毒、具有生物相容性与可生物降解性的合成聚合物[11]，其水凝胶在医用材料、功能器件等领域应用广泛[12]。

为满足类组织独特力学性能的需求，研究人员已投入大量精力制备具有各向异性结构的PVA水凝胶。传统水凝胶实现各向异性结构的常用策略是通过外力诱导聚合物链定向排列，但传统PVA水凝胶中聚合物链的交联缺乏时空可控性，这意味着一旦采用传统方法使PVA链交联，便难以实现高效的柔顺性与结构重构[13,14]。其中一个难点在于：由于共价键、氢键等分子内/分子间作用力或物理交联的存在，聚合物链本质上难以被拉伸并维持伸直状态[14-17]。尤其对于PVA这类柔性聚合物而言，分子内氢键会诱导其形成螺旋卷曲构象，进一步阻碍聚合物链的定向拉伸[18-20]。另一个难点是，难以通过各向异性水凝胶块体的模块化组装构建仿生复杂结构。尽管已有文献报道了定向冷冻[21-23]、受限干燥[24]、机械训练[25]等制备各向异性PVA水凝胶（APH）的方法，这些方法虽普遍强调内部结构的定向排列，但所得水凝胶通常不具备自修复性能，且难以通过界面融合组装成复杂的类组织结构[26]。

解决上述问题的关键，在于实现分子链间时空可控的交联——即聚合物网络重构过程中，交联键具有可逆性与可调节性。可逆性使聚合物链能在外力场作用下实现空间重排，可调节性则便于对交联状态进行时间维度的控制。总体而言，时空可控交联由动态可逆键主导，这种键能使水凝胶网络在可控时间内完成空间重构。

本文提出一种简便策略，利用动态硼酸酯键辅助制备仿生PVA水凝胶[27,28]。在弱碱性条件下，硼酸酯键可提供可调节的交联作用，实现外力诱导的聚合物链定向排列[29]；同时，得益于硼酸酯键的自修复性能，聚合物链定向排列的拉伸水凝胶块体可进一步组装成仿生复杂结构。当仿生复杂结构固定后，水凝胶的主要交联方式还可从硼酸酯键转化为聚合物结晶[30,31]。与已有研究相比，本研究制备坚韧各向异性PVA水凝胶的方法更简便、灵活；借助时空可控交联特性，可通过预定向组件的组装制备多种复杂类组织水凝胶。尽管已有文献报道了具有高力学性能[32,33]或可组装性[34]的各向异性PVA水凝胶，但这些性能往往受限于盐的存在或高PVA浓度，而本研究可克服这一局限。

图1 各向异性聚乙烯醇水凝胶(APH)制备流程。(A) APH制备示意图。(B) 手动拉伸PVA-硼酸水凝胶(PBH)的实验照片。(C)拉伸固化后 PBH 的荧光显微镜图像。(D)PH溶胀后的偏光显微镜(POM)图像。(E，F)冻干APH横截面的扫描电镜(SEM)图像。

图2 APH的结构与力学性能分析。(A)APH、各向同性水凝胶及冻融水凝胶等物理交联PVA水凝胶的应力-应变曲线。APH的测试曲线分别对应拉伸方向的平行与垂直方向。(B)APH的阶跃加载-卸载曲线。(C)采用各向异性水凝胶样条（宽3.0 mm、厚0.3 mm）承载400克重物的实验照片。(D-F)APH、冻融水凝胶及各向同性水凝胶的循环加载曲线。(G-I)APH、冻融水凝胶及各向同性水凝胶的扫描电镜图像。各向同性水凝胶的制备方法与APH相同，仅拉伸工艺有所差异。

图3 各向异性结构演变的验证。(A，B)PVA水凝胶在盐析和溶胀过程中的POM图像变化。所有POM图像均通过叠加完整波片与无波片的图像拼接，以更清晰地呈现干涉色的排列顺序。(C)水凝胶在盐析和溶胀过程中的光学延迟与含水量变化。(D，E)水凝胶在不同阶段的X射线衍射谱图及荧光显微镜图像对比。

图4 PBH 时空可控交联机制分析。(A)聚合物微晶交联的可控性。原始PVA水凝胶和经冻融处理的PVA-硼酸水凝胶(PBH)分别缩写为FT(x)-pH和FT(x)- PBH ，其中x表示冻融处理次数。(A-I)硼酸酯键和冻融处理对PVA水凝胶力学性能的影响。(A-II)按报道方法制备的原始冻融PVA水凝胶样品的POM图像。(A-III)未进行冻融预处理的对比样品的POM图像。(B)pH值对硼酸酯键交联密度的影响。(B-I)不同pH值下PBHs的显微照片和(B-II)拉伸曲线。(C)葡萄糖消除硼酸酯键的实验。(C-I)含葡萄糖处理与不含葡萄糖处理的最终产物力学性能对比，(C-II，III)盐析过程中未添加葡萄糖的样品在溶胀前后的POM图像。为更清晰区分干涉色的排列顺序，所有POM图像均通过含/不含全波片的图像拼接处理。(D)本方法作用机制示意图。

图5 类组织PVA水凝胶制备。(A)展示经两次冻融处理的 PBH 组织5 min愈合过程及初始与愈合样本的拉伸曲线。(B-I)肌肉样PVA水凝胶结构示意图、(B-II)照片及(B-III)显微镜图像。(B-IV)不同纤维丝构成的肌肉样PVA水凝胶拉伸曲线。(C-I)三层PVA水凝胶板结构示意图、(C-II)照片及(C-III)显微镜图像，(C-IV)与各向同性水凝胶板对比的板面排列方向力学性能。（D-I）管状双层结构水凝胶横截面示意图、（D-II）照片及（D-III）显微镜图像。（D-IV）水凝胶管（标记为ani-x）与各向同性水凝胶管（标记为iso-x）的循环拉伸对比，其中x表示循环次数。(E)PVA水凝胶体外细胞相容性测试。（E-I，II，III）分别接触 PBH 、APH和FT-PH 100%提取物的小鼠成纤维细胞（L929）活/死染色结果。（E-IV）小鼠成纤维细胞（L929）在100%提取物中培养24小时后的细胞活力检测。

这种硼酸酯键辅助法为制备类组织PVA水凝胶结构提供了一条时空可控的路线。该方法突破了传统聚合方法在水凝胶交联状态可控性方面的局限，能够满足仿生材料对结构多样性的需求。通过将硼酸酯键与冻融处理相结合，可实现聚合物链的可控物理交联，进而使聚合物链沿拉伸方向定向排列成为可能。此外，由于可逆硼酸酯键能实现接触界面的高效融合，其还便于将拉伸后的PVA-硼酸水凝胶(PBH)可编程组装成仿生结构。而且，当硼酸酯键完成其作用后，可从水凝胶中轻松去除，从而消除其对水凝胶抗溶胀性能的负面影响。采用该策略制备的纤维状和层状类组织水凝胶结构，展现出优异的力学性能与抗溶胀性能，在医疗器件或软驱动器领域具有潜在应用价值。

来源：柔性材料前沿