基于木质素诱导多尺度能量耗散机制的强韧抗疲劳生物相容性水凝胶研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A strong, tough, fatigue-resistant, and biocompatible biogel via lignin-induced multiscale energy dissipation mechanisms

本研究针对合成生物材料难以同时兼具生物相容性与机械强度的挑战，提出了一种“木质素/溶剂诱导非共价增强”协同策略。通过木质素/甘油溶剂置换精确调控壳聚糖/明胶双网络拓扑结构，利用磺化木质素的动态交联点构建多重能量耗散网络。所得生物凝胶突破传统双网络水凝胶的力学极限（拉伸强度4.35±0.08 MPa，压缩强度66.11±3.90 MPa），兼具优异生物相容性和抗疲劳性能，为高性能承载材料开发提供新途径。

　　

在人体运动过程中，肌肉、韧带和软骨等生物软组织能够承受巨大机械负荷并快速恢复，这种卓越性能一直启发着材料科学家开发仿生水凝胶。然而，合成材料要实现生物组织般高强度、高韧性和快速恢复的完美结合仍面临重大挑战。传统双网络水凝胶虽通过牺牲键提升力学性能，却往往缺乏快速自恢复能力，存在“强度-韧性权衡”的固有局限。这一瓶颈严重制约了水凝胶在生物力学驱动器、人工软骨、软体机器人等领域的应用前景。

针对这一难题，南京林业大学的研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表创新性研究，提出了一种基于木质素诱导多尺度能量耗散的新型生物凝胶设计策略。该研究巧妙利用天然生物分子构建高性能材料，为突破合成生物材料的性能极限提供了全新思路。

研究采用的关键技术方法包括：通过溶剂置换法精确调控网络拓扑结构，利用密度泛函理论（DFT）模拟分子间相互作用，结合低场核磁共振（NMR）分析溶剂状态，采用扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，并通过流变学测试评估材料力学性能。细胞实验使用小鼠软骨祖细胞（ATDC5）和胚胎间充质干细胞（C3H/10T1/2）进行生物相容性评价。

3.1 Construction of CGSD biogels

研究人员选择具有优异生物相容性的明胶和壳聚糖作为基础组分，采用“凝胶-浸泡”策略构建CGSD生物凝胶。通过将预形成的壳聚糖/明胶（CG）复合水凝胶浸泡在SL/甘油溶液中，实现木质素的均匀渗透和物理交联。甘油在渗透压作用下取代大部分水分子，与聚合物网络形成强氢键结构域，而木质素作为共享互连节点，构建起紧密结合的双网络结构。

3.2 Structure and morphology features of CGSD biogels

扫描电镜结果显示，原始CG水凝胶呈现连续蜂窝状多孔结构，经甘油置换后孔道支撑变粗糙，木质素引入进一步填充凝胶空隙形成致密结构。拉曼分析和EDS mapping证实SL在生物凝胶基质中均匀分散。FTIR光谱表明SL与肽键和伯胺基团的相互作用引起壳聚糖/明脂构象变化，流变学测试显示存储模量（G'）和损耗模量（G''）随木质素含量增加而提升，证实非共价键合诱导的增强效应。

3.3 Impact of SL and solvent on chitosan/gelatin interactions

XPS分析显示SL成功掺入壳聚糖/明胶基质，SL中的-SO₃Na基团与壳聚糖/明胶中的-NH₂等官能团形成氢键。DFT计算表明甘油与壳聚糖/明胶的结合能大于水，而木质素与聚合物链的结合能远高于其他组分，表明木质素可作为凝胶网络中的快速交联剂。低场NMR谱显示随着甘油和SL的加入，T_2,inter减小且T_2,mobile逐渐消失，证实溶剂限制效应增强。

3.4 Mechanical properties of CGSD biogels

力学性能测试表明，CGSD生物凝胶的强度和韧性可通过调节浸泡溶液浓度进行调控。最优样品的拉伸强度和压缩强度分别达到4.35 MPa和66.11 MPa，拉伸模量（6.65 MPa）、韧性（8.72 MJ/m³）和断裂韧性（398 J/m²）相比原始CG水凝胶提升数百倍。这种卓越的力学性能归因于木质素作为共享互连节点有效分散应力，而过高SL比例会因自聚集效应导致性能下降。

3.5 Solvent-induced modulation of interactions

表面张力测量显示SL的加入显著降低甘油基体系的表面张力，促进溶剂向多孔水凝胶网络渗透。QCM-D分析证实木质素与壳聚糖/明胶基质存在强相互作用，解吸后仍有大量木质素保留在基质表面。原子力显微镜测试显示木质素与聚合物链具有强粘附相互作用，粘附力明显高于壳聚糖与明胶之间的作用力，验证了快速交联机制。

3.6 Versatility of CGSD biogels

生物相容性评价显示CGSD生物凝胶组细胞存活率维持在100%以上，活/死细胞染色证实小鼠胚胎成纤维细胞（3T3-L1）在材料表面表现出优异生物活性。疲劳测试表明样品经历10,000次弯曲循环后仍保持弹性，室温储存一年后力学功能完好。热重分析和温度流变学证明甘油和SL协同提升水凝胶热性能，极端温度（-196°C/80°C）储存后仍保持优异力学性能。

该研究通过溶剂交换和木质素自组装驱动的非共价连接策略，成功开发出具有精确可调非共价网络和多尺度能量耗散单元的壳聚糖/明胶/磺化木质素/甘油生物凝胶。甘油不仅促进壳聚糖/明胶交联形成致密结构，还增强木质素与基质的界面相互作用，从而显著提升材料力学性能。除卓越强度外，生物凝胶还展现出优异生物相容性、自恢复能力和抗疲劳特性。这种绿色耐用的木质素增强生物材料为组织工程和振动阻尼系统等领域的应用开辟了新途径，建立了开发高强度高韧性生物材料的新范式。