【材料】具有生物組織應變-硬化特性的新型自修復柔性水凝膠網絡

2021-01-20 X-MOL資訊

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註：文末有研究團隊簡介 及本文科研思路分析


應變-硬化現象在生物體內較為常見，這一現象通常是指結構組織在施加外力發生形變時，其強度和硬度會有明顯提升，從而減弱或避免該結構被破壞。人體內很多柔性生物組織，例如血管、腸繫膜組織、肺實質、眼角膜等都具有這種應變-硬化功能，使其在承受較大的機械形變時依然能保持結構和功能的完整性，從而增加生物的存活機率。目前人工合成具有仿生應變-硬化特性的材料主要基於生物高分子，如肌動蛋白、膠原蛋白以及合成的聚異氰酸酯-蛋白複合材料等, 基於純合成材料的應變-硬化則比較少見。除此以外，單一的應變- 硬化機制在生物體內並不是絕對有效的，尤其是在高機械強度高應變下，材料或者組織的宏觀結構發生斷裂、刺穿時，這時就需其它機制，例如自修復，來恢復結構的完整性，繼續實現其功能。基於柔性高分子的自修復材料與機理研究在近十年已經取得了巨大的進展，但到目前為止，還沒有製備出同時具有應變-硬化特性與自修復功能的合成高分子材料。水凝膠是一種獨特的具有各種優異的性能的高分子網絡體系，數十年來已成為材料研究的一大熱點，但目前報導的絕大多數水凝膠在外力作用下只會變得更加柔軟，而不會發生應變-硬化。

圖1. 具有應變-硬化與自修復功能的超支化聚乙烯亞胺- 醛基化聚乙二醇水凝膠網絡結構示意圖，該自修復功能主要基於動態席夫鹼反應以及氫鍵。


最近，加拿大阿爾伯塔大學Hongbo Zeng（曾宏波）教授（通訊作者）課題組報導了一種新型的基於兩種柔性高分子材料（醛基化聚乙二醇和超支化聚乙烯亞胺）的水凝膠網絡（圖1）及其納米力學機理，該材料同時具有仿生物組織的應變- 硬化特性以及優異的自修復功能。該水凝膠在經受高達650%的應變形變後依然能可重複的迅速恢復其原有的機械性能，並且沒有記憶效應。在超過臨界應變點後，該水凝膠依然能夠通過動態席夫鹼鍵實現接近100%的自修復（圖2）。表面力儀測試表明該水凝膠的應變-硬化行為主要取決於水凝膠網絡中獨特的超支化的聚乙烯亞胺和線性聚乙二醇結構，同時動態可逆的席夫鹼反應和氫鍵作用使得該水凝膠也擁有優異的自修復功能。另外通過調節膠化過程中採用的高分子的鏈長、材料濃度和水凝膠的溫度，可以實現水凝膠應變-硬化性能的進一步精細調控。該水凝膠材料具有很好的生物相容性，還可進一步對內部氨基進行修飾，對於設計與製備用於生物組織工程或者載藥工程的仿生材料和新型納米複合材料具有重要指導意義。

圖2. 採用流變儀測得具有應變-硬化特性與自修復功能的聚乙烯亞胺-聚乙二醇水凝膠的應力-微分模量曲線（左上），剪切模量/彈性模量的恢復過程（右上），以及水凝膠的宏觀自修復過程（下）。


這一成果近期發表在ACS Nano 上，文章的第一作者是閻斌博士（現為四川大學教授）、黃俊博士和韓林波博士。


該論文作者為：Bin Yan, Jun Huang, Linbo Han, Lu Gong, Lin Li, Jacob N. Israelachvili, Hongbo Zeng*

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Duplicating Dynamic Strain-Stiffening Behavior and Nanomechanics of Biological Tissues in a Synthetic Self-Healing Flexible Network Hydrogel

ACS Nano, 2017, 11, 11074–11081, DOI: 10.1021/acsnano.7b05109


研究團隊簡介


曾宏波，加拿大阿爾伯塔大學化學工程和材料工程系終身教授，加拿大國家講席教授（界面科學與分子力學首席科學家）。分別獲清華大學工學學士和碩士學位，美國加州大學聖芭芭拉分校博士學位。發表論文~170篇，期刊包括PNAS, Advanced Materials, ACS Nano，Nature Communications, Angewandte Chmie International Edition, Advanced Functional Materials, Macromolecules, Langmuir, Biomaterials, Chemical Communications， ACS Applied Materials & Interfaces等, 撰寫和主編專著「Polymer Adhesion, Friction and Lubrication」 (Wiley)。其課題組目前研究方向主要包括膠體與界面科學、分子和納米力學、高分子材料、生物智能材料、礦物工程和環境工程中的界面現象、油砂和石油工程中的界面現象等。


http://www.X-mol.com/university/faculty/45151


科研思路分析


Q：這項研究的最初目的是什麼？

A：該研究最初是為了開發新型的水下粘接材料，水凝膠是我們其中一個突破口，但後期發現該水凝膠具有異於普通水凝膠的應變-硬化性能，因此我們便進一步系統的研究了這一水凝膠體系的特性以及作用機理，發現並報導了這一獨特的現象。


Q：在研究中過程中遇到的最大挑戰在哪裡?

A：該研究最大的挑戰是硬化與自修復機理的解釋，在這個過程中我們通過採用納米力學測試手段，例如表面力儀從分子層面對水凝膠中的成鍵與作用機理進行了研究，發現在這兩種高分子間有明顯的可重複的粘性力以及非常大的分子鏈拉伸，這就很好的解釋了宏觀的自修復過程的作用力。我們希望能夠進一步採用一些光譜手段等和納米力學測量相結合來進一步揭示其中的機理，並考慮做成可進一步應用於工業或者醫學的水凝膠材料。




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