扬州大学高杰峰NC：各向异性聚合物网络渐进式纳米结晶构建层级抗撕裂仿组织水凝胶

一、摘要

针对水凝胶难以兼顾极端力学稳健性与仿组织功能的核心挑战，本研究提出一种相变引导的层级工程策略，通过连续的机械训练、湿退火和盐析工艺，逐步构建各向异性聚乙烯醇网络。该三相处理实现可编程结构演化：机械训练使聚合物链取向排列，湿退火在释放应力的同时通过溶剂塑化重排稳定取向结晶域，盐析则通过链聚集和氢键增殖致密网络。所得层级结构通过多尺度能量耗散实现高抗疲劳性（阈值：2083 J・m⁻²），牺牲型氢键消耗能量，取向结晶域通过各向异性应力重分布钉扎裂纹并偏转其扩展。该水凝胶展现出超越天然组织的力学性能（拉伸强度：61±3 MPa，韧性：106±27 MJ・m⁻³，断裂能：85±9 kJ・m⁻²），同时具备生物功能，可通过接触引导实现细胞定向排列，并抵抗溶胀诱导的尺寸不稳定（生理盐水中体积变化仅 1.2%）。这种仿生工程策略为设计合成细胞外基质提供了通用路径，可同时模拟肌腱的各向异性力学性能和软骨的裂纹钝化韧性，对承重组织再生具有关键意义。

二、研究背景

水凝胶具有 “软 - 湿” 特性，仿生性能突出，生物相容性良好，在组织工程、软机器人等领域应用前景广阔，但聚合物网络不均一导致其力学性能薄弱，存在强度低、韧性差、抗疲劳性不足等问题。

受软骨、肌腱等天然结构组织启发，各向异性水凝胶成为研究热点，常用制备方法包括单向冷冻和机械拉伸，但单向冷冻所得水凝胶分子间作用弱，机械拉伸需结合盐析、热压等工艺优化结构，且现有各向异性水凝胶难以同时提升抗压性能，存在强度 - 韧性制衡、抗疲劳性与抗溶胀性不足等问题。

本研究核心目标是提出机械训练、湿退火、盐析一体化的渐进式强化策略，利用高沸点溶剂甘油提升应力传递和链流动性，通过受限湿退火优化链重排与结晶性，结合盐析诱导链聚集，制备兼具高强度、高韧性、高抗疲劳性与抗溶胀性的各向异性水凝胶，同时赋予其生物相容性与细胞定向引导功能。

图1. 各向异性水凝胶的制备流程与性能：展示制备示意图、水凝胶吊重性能、各向同性与各向异性水凝胶力学对比及与天然生物组织的力学性能对比。

三、结果与分析

本研究通过预冷冻构建亚稳态氢键网络，经甘油 / 乙醇溶剂交换诱导大分子聚集形成原始结晶域，随后在控制乙醇挥发条件下进行机械训练，使聚乙烯醇链沿应力轴取向，再经甘油湿退火修复缺陷、提升结晶度与氢键密度，最后用柠檬酸钠溶液盐析锁定各向异性结构，水相平衡后得到透明水凝胶。所得水凝胶具备肌腱样强度，可吊起自身重量 12000 倍的物体，软骨样抗裂性，各向异性因子大于 0.8，力学性能接近天然肌腱，超越部分人体关节韧带。

系统调控聚乙烯醇初始浓度、湿退火温度和处理工艺，可精准调控水凝胶力学性能与含水量。机械训练使分子链取向，显著提升强度、模量与韧性；盐析通过疏水自组装增强结晶域连通性；湿退火温度升高进一步提升结晶度，克服传统水凝胶强度 - 韧性制衡问题。聚乙烯醇浓度从 10 wt% 增至 20 wt% 时，拉伸强度和模量显著提升，韧性达最大值 106±27 MJ・m⁻³，排除浓度影响后，结构优化仍使强度和韧性大幅提升，证实策略的核心作用。机械训练、湿退火和盐析协同使断裂能显著提升，最高达 85±9 kJ・m⁻²，超越多数天然组织，纤维束各向异性排列与结晶度提升共同阻碍裂纹扩展。

图2. 聚乙烯醇水凝胶的力学性能：展示不同浓度、不同处理工艺下水凝胶的拉伸应力 - 应变曲线、拉伸强度、断裂应变、模量、韧性、含水量及断裂能，以及与其他韧性水凝胶的综合力学性能对比。

扫描电子显微镜观察显示，水凝胶从各向同性多孔结构逐步演变为肌腱样取向纳米纤维结构，经湿退火和盐析后纤维排列更致密有序。广角 X 射线散射和小角 X 射线散射证实，各向异性水凝胶的衍射环转变为衍射弧，取向度显著提升，湿退火和盐析有效稳定取向结构。X 射线衍射显示，水凝胶结晶峰明显，湿退火后出现新的晶面衍射峰，结晶度显著提升；小角 X 射线散射分析表明相邻结晶域平均距离减小，证实链聚集与网络致密化；红外光谱显示羟基伸缩振动红移，表明分子间氢键作用增强。

图3. 水凝胶的微观形貌与结晶结构表征：展示各向同性、经机械训练、经机械训练 - 湿退火 - 盐析处理水凝胶的扫描电子显微镜图像、小角 X 射线散射图谱、广角 X 射线散射图谱，以及结晶相关参数计算结果。

不同应变下的加载 - 卸载实验显示，水凝胶存在明显滞后环，拉伸过程中氢键逐步断裂并耗散能量；1000 次循环加载 - 卸载后，耗散能量大幅提升，归因于氢键可逆断裂 - 重组与链滑移协同作用。各向同性水凝胶疲劳阈值较低，经机械训练、湿退火和盐析后，疲劳阈值最高提升至 2083 J・m⁻²；在恒定能量释放率下循环 10000 次，裂纹未沿缺口方向扩展，呈现仿生失效模式，抗疲劳机制源于取向纤维的应力重分布、结晶域的裂纹钉扎作用以及氢键的能量耗散协同。

图4. 水凝胶的抗疲劳性能：展示不同水凝胶的裂纹扩展速率与能量释放率关系、疲劳阈值汇总、缺口样本循环测试照片、疲劳阈值与断裂强度关系及抗疲劳机制示意图。

水凝胶在去离子水、生理盐水和 PBS 溶液中浸泡 7 天后，体积变化始终低于 1.2%，保持结构完整，浸泡前后力学性能变化微小，拉伸强度、断裂应变和韧性保留率分别达 90%、85% 和 95%，归因于致密结晶域的交联作用与网络近平衡状态。细胞实验显示，小鼠胚胎成纤维细胞在水凝胶表面培养 5 天的存活率达 98.46%±2.72%，无明显细胞毒性；水凝胶的取向纤维结构引导细胞沿纤维方向定向排列，具备模拟肌腱、神经纤维等天然组织结构的潜力。

图5. 水凝胶的抗溶胀性与生物相容性：展示水凝胶在不同溶液中的溶胀率、溶胀前后的拉伸应力 - 应变曲线、力学性能保留系数，以及细胞活死染色图像、细胞增殖能力和细胞定向排列荧光图像。

四、结论

本研究通过仿生渐进式强化策略（机械训练→湿退火→盐析）制备各向异性水凝胶，实现分子至宏观尺度的层级取向。结构表征表明，机械训练诱导分子取向，湿退火优化构象，盐析锁定取向结晶域（结晶度 34.3%），最终获得力学协同效应（拉伸强度 61±3 MPa、韧性 106±27 MJ・m⁻³、断裂能 85±9 kJ・m⁻²、疲劳阈值 2083 J・m⁻²）。水凝胶的仿生结构实现各向异性能量耗散，取向纤维束与结晶域 redistribution 应力、抵抗裂纹萌生，动态氢键耗散循环应力；溶胀态高结晶度（17.03%）与盐析稳定的取向结构确保生理环境下的耐久性，克服溶胀 - 力学制衡。该水凝胶兼具生物相容性与细胞定向引导功能，模拟肌腱层级矿化与裂纹偏转机制，为需同时满足强度、抗疲劳性与生物相容性的承重生物医学应用提供了新的水凝胶设计原则。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-65917-3

来源：高分子凝胶与网络