中国青年学者一作！最新《自然·通讯》：仿生高强度水凝胶问世：性能比肩人体韧带！

人体内强韧的韧带连接骨骼、稳定关节，但其惊人的机械性能——例如前十字韧带高达约50 MPa的抗拉强度和约100 MPa的弹性模量——一直是合成材料难以企及的目标。尽管水凝胶因其生物相容性在组织修复领域前景广阔，但其机械性能，尤其是强度和刚度，始终无法与承重生物组织相媲美，这成为韧带修复与替代领域长期面临的挑战。

近日，加州大学圣地亚哥分校Jinhye Bae教授成功开发出具有韧带样机械性能的强、硬、韧水凝胶。该水凝胶由可组装成平行束的纤维状单元构成，其灵感来源于生物结构。这些纤维由嵌入连续互穿聚合物基质中的聚合物-纳米颗粒混合团聚体组成，通过强界面相互作用和空间限域实现高效载荷传递与能量耗散，从而克服了传统复合材料中强度/刚度与韧性/可拉伸性之间的权衡。最终，该材料实现了61±8 MPa的抗拉强度、131±15 MPa的弹性模量、135±11 MJ m⁻³的韧性以及超过400%的拉伸率，性能与天然韧带相当。相关论文以“Hierarchically structuralized hydrogels with ligament-like mechanical performance”为题，发表在

Nature Communications

这项研究的核心始于对天然韧带层级结构的模仿。如图1所示，天然韧带由平行排列的胶原纤维束构成。受此启发，研究人员设计出由平行编织的水凝胶纤维束构成的人工韧带（图1b-c）。单个水凝胶纤维（图1f）的微观结构揭示了两大关键特征：沿挤出方向高度排列的聚合物链（图1d），以及垂直于挤出方向观察到的、嵌入连续PVA基质中的PVA-纳米粘土（NC）混合团聚体（图1e）。这种独特的结构是其卓越机械性能的基石。如图1g-h所示，与天然韧带及以往报道的PVA基水凝胶相比，本研究开发的PVA-NC/FT/S水凝胶在强度、模量和韧性上均达到了韧带水平。

图1. 模仿韧带的分层级结构化水凝胶。 （a）天然韧带和（b）人工韧带的示意图，展示其由纤维构成的层级排列结构。（c）作为人工韧带、由多根编织纤维组成的水凝胶束照片。比例尺，5毫米。（d）单根水凝胶纤维平行于挤出方向的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，显示排列的聚合物链。比例尺，5微米。（e）单根水凝胶纤维垂直于挤出方向的横截面SEM图像，显示连续PVA基质中的PVA-NC混合团聚体。箭头指示混合团聚体。比例尺，100微米。（f）单根水凝胶纤维照片。比例尺，2厘米。（g, h）显示PVA-NC/FT/S水凝胶（本工作）、天然韧带以及先前报道的机械增强PVA基水凝胶的抗拉强度、弹性模量和韧性的图表。所有详细的机械性能及其文献总结于补充表1。

为了制备这种高性能纤维，研究团队采用了挤出、冻融（FT）和盐析（S）相结合的工艺（图2a）。纳米粘土（NC）的加入是关键，它使初始的PVA-NC混合物呈现出粘弹性固体行为，无需凝固浴即可挤出成型（图2b-d）。研究发现，单独盐析或冻融处理都无法获得理想的性能，而将两者顺序结合，尤其是使用1.5 M柠檬酸钠（Na₃Citrate）进行盐析时，仅需一个冻融循环即可获得强韧的纤维（图2e-h）。这表明协同处理工艺对形成增强的微观结构至关重要。

图2. 水凝胶纤维的制备与机械性能。 （a）描绘水凝胶纤维制备过程（挤出、冻融（FT）和盐析（S））的示意图。（b）不同NC含量的PVA-NC混合物的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随振荡应力的变化，以及（c）粘度随剪切速率的变化。（d）不同NC含量PVA-NC混合物的粘度和照片。粘度值为剪切速率1 s⁻¹下的代表值。比例尺，5毫米。（e）用不同盐溶液类型（1.5 M Na₂SO₄）进行S处理、不同FT循环次数形成的PVA-NC/FT/S水凝胶纤维的应力-应变曲线。（f）用1.5 M Na₃Citrate进行S处理、不同FT循环次数形成的PVA-NC/FT/S水凝胶纤维的应力-应变曲线。（g）未经盐析、不同FT循环次数形成的PVA-NC/FT水凝胶纤维的应力-应变曲线。（h）经单次FT循环和1.5 M Na₃Citrate盐溶液处理的PVA-NC/FT/S水凝胶纤维的抗拉强度和弹性模量。数据以平均值±标准差呈现（n = 5）。

随着柠檬酸钠浓度提高至2.8 M，水凝胶纤维的机械性能实现了全面飞跃，达到与韧带媲美的水平（图3a-c）。性能增强的机制源于其独特的微观结构。X射线衍射（XRD）分析表明，在NC存在下，PVA形成了更完善、更大的结晶域，这是高刚度的重要来源（图3e-f）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）分析则证实了PVA与NC之间强烈的氢键相互作用，以及NC对PVA链热运动的限制，增强了界面结合（图3g-h）。如图3i所示，在拉伸载荷下，应力通过强界面作用从柔性PVA基质有效传递至刚性PVA-NC团聚体，并通过跨越团聚体与基质的聚合物链进行长距离传递，在此过程中耗散大量能量，从而实现高强、高韧。此外，通过结合拉伸和干退火后处理，可进一步将弹性模量提升至511 MPa甚至1182 MPa，同时保持超过150%的拉伸率（图3j-m）。

图3. 增强的机械性能与强化机制。 （a）应力-应变曲线，（b）抗拉强度和弹性模量，以及（c）不同浓度Na₃Citrate下PVA-NC/FT和PVA-NC/FT/S水凝胶纤维的韧性。数据以平均值±标准差呈现（n = 5）。（d）分别为挤出纤维形态和浇铸片状形态的PVA-NC/FT/S水凝胶的应力-应变曲线。（e）NC、PVA/FT/S和PVA-NC/FT/S的XRD谱图，证明在NC存在下PVA结晶域的形成。（f）来自PVA-NC/FT和PVA-NC/FT/S的XRD谱图的PVA结晶峰。箭头指示半高宽。（g）NC、PVA/FT/S和PVA-NC/FT/S的FTIR谱图，证明PVA与NC之间的氢键作用。（h）不同NC含量的PVA-NC/FT/S的DSC谱图，显示熔化温度随NC含量不同而变化。（i）PVA-NC/FT/S水凝胶的机械强化与断裂机制示意图。（j）应力-应变曲线，（k）抗拉强度，（l）弹性模量，以及（m）PVA-NC/FT、PVA-NC/FT/St/S和PVA-NC/FT/St-D-A/S水凝胶纤维的韧性。数据以平均值±标准差呈现（n = 4）。

模仿天然韧带的多纤维束结构，研究人员将多根水凝胶纤维编织成束（图4a）。与简单分离的纤维相比，编织束的力学承载能力提高了一倍（图4b）。编织结构能使应力在纤维间均匀分布，延迟断裂（图4c-d）。一个由50根纤维编织而成的、直径约3.5毫米的束，能够承受13.6公斤的重物，展现出优异的承载能力（图4e）。除了卓越的机械性能，这种水凝胶束还展现出作为应变传感器的潜力。当将其作为人工韧带应用于人体骨骼模型的腿部（图4f）和腕部（图4h）时，它能在反复屈伸运动中检测到电阻变化（ΔR），实现变形的实时监测。较大变形对应较大的ΔR（图4g），而腕部的小角度、阶梯式弯曲也能被精确检测，并产生成比例的ΔR变化（图4i），显示了其在生物医学监测与可穿戴传感领域的应用前景。

图4. 模仿韧带的分层级结构化水凝胶束。 （a）由多根（两根到八根）纤维形成的水凝胶束照片。从左到右比例尺分别为1厘米和1毫米。（b）单根纤维、单独分离的8根纤维以及8根纤维编织束的载荷-应变曲线。（c）单独分离的8根纤维和（d）8根纤维编织束在张力下呈现不同断裂行为的照片。从左到右比例尺分别为1厘米、1厘米和1毫米。（e）承受约13.6公斤重量的50根纤维编织水凝胶束照片。从左到右比例尺分别为5厘米和1毫米。（f）作为腿部人工韧带的8根纤维编织水凝胶束在重复折叠与展开过程中的照片和（g）实时电阻变化。比例尺，1厘米。（h）作为腕部人工韧带的水凝胶束在不同弯曲角度下的照片和（i）实时电阻变化。比例尺，1厘米。

这项研究通过模仿天然韧带的层级结构，成功开发出兼具高强度、高刚度、高韧性和高拉伸性的仿生水凝胶。其性能不仅达到了韧带水平，还可通过后处理进一步提升。由多根纤维编织而成的束状结构进一步增强了力学性能，并赋予了材料实时应变传感的功能。此外，PVA-NC混合物良好的可挤出性使其能够通过3D打印定制复杂形状，拓宽了应用范围。尽管盐析形成的物理交联遇水会溶胀软化，但可通过疏水涂层进行保护。这项突破性进展为开发可用于软组织机器人、导电凝胶电解质、尤其是韧带修复与替代的高性能生物材料开辟了新的道路，未来在生物工程领域具有广阔的应用潜力。