基于渐进式纳米晶化的分级抗裂纹仿组织水凝胶

《Nature Communications》：Hierarchical crack-resistant, tissue-mimetic hydrogels enabled by progressive nanocrystallization of anisotropic polymer networks

本研究针对水凝胶难以兼顾力学强度与生物功能的难题，提出了一种相变引导的分级工程策略。通过机械训练、湿法退火和盐析锁定的三步法，构建了具有各向异性网络的聚乙烯醇水凝胶。该水凝胶展现出超高力学性能（拉伸强度61±3 MPa，韧性106±27 MJ·m-3，断裂能85±9 kJ·m-2）和抗疲劳阈值（2083 J·m-2），同时具备抗溶胀性和细胞导向生长能力，为负载型组织再生提供了理想材料平台。

　　

在生物医学领域，水凝胶因其与人体软组织相似的“软湿”特性、良好的生物相容性和可调控的物理化学性质，被视为极具潜力的组织工程支架和仿生材料。然而，传统水凝胶往往面临一个棘手的矛盾：为了实现组织仿生的柔软度和高含水率，其聚合物网络通常较为疏松，这导致力学性能普遍较差，表现为强度低、韧性不足、易疲劳断裂。尤其是在承重组织（如肌腱、软骨）修复应用中，材料不仅需要承受持续的机械负荷，还需在湿态生理环境中保持尺寸稳定性和结构完整性。长期以来，研究者们致力于通过多种策略提升水凝胶的力学性能，例如引入各向异性结构来模拟天然组织的纤维取向。常用的方法包括单向冷冻和机械拉伸等，但这些方法往往难以同步实现高强度、高韧性、高抗疲劳性以及优异的抗溶胀性能。如何打破水凝胶材料强度与韧性之间的此消彼长关系，并使其在复杂生理环境中稳定服役，是当前水凝胶研究面临的关键挑战。

针对上述挑战，扬州大学高杰峰教授团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们受天然肌腱和软骨等结构性组织的启发，提出了一种名为“渐进式纳米晶化”的分级工程策略，成功制备出兼具超高力学性能、优异抗疲劳性、抗溶胀性及生物功能性的各向异性聚乙烯醇（PVA）水凝胶。该研究的核心在于通过机械训练、湿法退火和盐析三个连续且协同的步骤，逐步构建并稳定化水凝胶中的各向异性聚合物网络。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：通过溶剂交换（甘油/乙醇）和预冷冻制备初始PVA有机凝胶；利用万能试验机对有机凝胶进行循环机械训练以诱导分子链取向；在甘油环境中进行湿法退火以优化链构象和结晶度；采用钠盐（如柠檬酸钠）溶液进行盐析处理以锁定各向异性结构；通过扫描电子显微镜（SEM）、广角/小角X射线散射（WAXS/SAXS）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）等手段系统表征材料的微观结构和结晶行为；利用万能试验机进行单轴拉伸、循环加载-卸载、纯剪切和疲劳测试以评估力学性能；并通过细胞培养（NIH/3T3小鼠胚胎成纤维细胞）、CCK-8法和Live/Dead染色评价材料的生物相容性和细胞导向能力。

力学性能

研究团队系统地表征了不同处理阶段PVA水凝胶的力学性能。结果表明，三步渐进式处理策略（机械训练→湿法退火→盐析）显著提升了水凝胶的综合力学性能。各向同性水凝胶（IV15SH）的拉伸强度仅为1.8±0.3 MPa，而经过三步处理后的各向异性水凝胶（AV15SH-120）的拉伸强度高达45.1±3.7 MPa，AV20SH-120更是达到了61±3 MPa的极高强度，较各向同性样品提升了约25倍。同时，其韧性达到106±27 MJ·m^-3，杨氏模量提升至58±8 MPa，成功打破了强度与韧性之间的传统权衡关系。断裂能测试显示，AV15SH-120的断裂能为85±9 kJ·m^-2，远超许多天然生物组织（如骨骼肌~2.5 kJ·m^-2，软骨~1 kJ·m^-2，肌腱~20-30 kJ·m^-2）。水含量可在50-90 wt%范围内精确调控，与生物组织含水量相当。

微观结构表征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，各向同性水凝胶（IV15SH）呈现无序的多孔结构，而经过机械训练和后续处理的水凝胶（AV15SH-120）则显示出高度取向的纳米纤维束结构，类似于天然肌腱的层次结构。WAXS和SAXS分析证实了处理过程中分子取向度和结晶度的显著提升。AV15SH-120的取向因子高达0.87，表明PVA分子链沿拉伸方向高度排列。XRD和DSC分析表明，渐进式处理策略显著提高了水凝胶的结晶度，干态结晶度从IV15SH的12.63%提升至AV15SH-120的34.3%，溶胀状态下的结晶度也达到17.03%。SAXS分析进一步显示，相邻晶体域之间的平均距离减小，表明聚合物链聚集和网络密实化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示了羟基伸缩峰的红移，证明了分子间氢键的增强，这是能量耗散和力学增强的关键机制之一。

抗裂纹扩展性能

抗疲劳性能是衡量材料在实际应用中耐久性的关键指标。单边缺口疲劳测试结果表明，渐进式处理策略极大地提高了水凝胶的抗裂纹扩展能力。各向同性水凝胶IV15SH的疲劳阈值仅为~87.2 J·m^-2，而AV15SH-120的疲劳阈值高达~2083 J·m^-2。在高达2083 J·m^-2的能量释放率下循环加载10,000次，裂纹并未沿缺口方向扩展，而是出现了类似于生物材料的分叉现象，有效地分散了能量，避免了灾难性破坏。循环加载-卸载实验显示，AV15SH-120具有最大的滞后环，耗散能高达1959 kJ·m^-3，这归因于氢键的可逆断裂/重组和分子链滑移带来的高效能量耗散。

抗溶胀性和生物相容性

在生理环境中保持尺寸稳定性对于水凝胶的实际应用至关重要。将AV15SH-120水凝胶浸泡在去离子水、生理盐水和PBS溶液中7天后，其体积变化率均低于1.2%，表现出优异的抗溶胀性能。溶胀后的水凝胶仍能保持90%的拉伸强度、85%的断裂应变和95%的韧性，证明了其在水环境中的力学稳定性。细胞毒性实验（CCK-8法和Live/Dead染色）显示，与AV15SH-120水凝胶共培养的NIH/3T3细胞存活率超过95%，在第5天高达98.46%±2.72%，表明材料具有良好的生物相容性。更为重要的是，由于水凝胶的各向异性结构，培养在其上的细胞表现出沿纤维方向的明显取向生长，展现了其引导细胞定向排列的能力，这在肌腱、神经等定向组织再生中具有重要应用价值。

综上所述，这项研究通过一种仿生的渐进式增强策略，成功构建了具有分级有序结构的各向异性PVA水凝胶。该策略巧妙地结合了机械训练诱导分子链取向、湿法退火优化链构象和结晶度、以及盐析锁定各向异性结构这三个关键步骤，协同提升了水凝胶的力学性能、抗疲劳性和稳定性。所得水凝胶不仅实现了肌腱级别的强度（61±3 MPa）和软骨级别的抗裂纹扩展能力（疲劳阈值~2083 J·m^-2），还具备了优异的抗溶胀性和生物相容性，并能引导细胞定向生长。这项研究的意义在于，它为解决水凝胶材料长期以来难以兼顾力学性能与生物功能的矛盾提供了一个普适性的设计原则，即通过跨尺度的渐进式对齐和纳米晶化工程来规避强度-韧性-溶胀性之间的权衡关系。所开发的水凝胶在负载型组织工程（如人工肌腱、韧带、软骨修复）以及生物电子器件等领域展现出巨大的应用潜力，为设计下一代高性能生物医用材料开辟了新的道路。