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在生物医学应用中，复制软组织特性颇具挑战。研究人员制备了多孔分级有序水凝胶，探究其微观结构与机械性能关系。结果显示该水凝胶性能独特，这为合成生物材料性能调控提供新途径，有望用于定制细胞支架等12。
在生物医学领域，复制软组织的特性一直是个难题。天然组织具有复杂且分级有序的结构，仅由有限的成分就能展现出多样的特性。比如生物组织的仿生应变硬化、高度可逆变形以及利于细胞增殖的微观结构等特性，在合成材料中很难实现。水凝胶因高含水量，能促进细胞间营养物质和代谢废物的运输，成为模拟天然组织的理想材料，但普通交联水凝胶机械性能有限。虽然合成化学的进步让一些材料能模拟天然组织特性，可这些水凝胶往往缺乏分子网络之外的有序结构。还有一些方法能在水凝胶中创建分级、各向异性结构，却存在难以放大和应用受限的问题。因此，探寻新的水凝胶制备方法，研究其结构与性能的关系，对开发新型生物材料意义重大。
宾夕法尼亚州立大学等机构的研究人员开展了相关研究，成功制备出具有分级有序结构的多孔水凝胶，并深入探究了其微观结构与机械性能之间的关系。研究成果发表在《Nature Communications》上，为生物材料的发展提供了新的方向。
研究人员采用了多种关键技术方法。通过透射电子显微镜（TEM）和小角 X 射线散射（SAXS）对水凝胶的纳米结构进行可视化和评估；利用小角光散射（SALS）探测微米级特征；借助荧光共聚焦显微镜和低温扫描电子显微镜（Cryo - SEM）对水凝胶的微观结构进行成像；运用单轴拉伸测试来表征水凝胶的机械性能。
制备分级水凝胶
研究人员选用数均分子量（Mn）为 192 kg/mol、O - 嵌段体积分数（fo）为 0.9、分散度（D）为 1.05 的聚（苯乙烯） - 聚（环氧乙烷） - 聚（苯乙烯）（SOS）聚合物制备水凝胶。使用 N，N - 二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃（THF）两种水混溶性有机溶剂，在 8% - 15%（重量）的初始溶液浓度下制备水凝胶纤维，并确保在实验前纤维在水中浸泡至少 24 小时，此时水凝胶纤维的含水量高达约 98%。
表征分级结构
TEM 和 SAXS 表征发现，两种溶剂中胶束直径均为 20 ± 1 nm，平均中心间距为 80 nm，且纳米结构对实验条件不敏感。SALS 数据显示，THF 制备的水凝胶孔壁沿长轴取向。Cryo - SEM 图像表明，DMF 制备的水凝胶呈同轴形态，THF 制备的水凝胶孔径随浓度增加而减小且分布变窄。
关联机械性能与微观结构
研究发现，水凝胶的多孔微观结构对其机械性能起着关键作用。所有样品弹性模量低（E<1kPa），但能可逆拉伸至初始长度的数倍。DMF 制备的样品在大应变下呈现非线性弹性和较高的断裂伸长率；THF 制备的样品随着浓度增加，平均孔径减小，极限拉伸强度、杨氏模量和韧性增加。所有水凝胶纤维在拉伸至原长六倍的情况下，至少能进行五次加载和卸载循环且无滞后现象。通过原位透射光显微镜和 SAXS 测量发现，总应变在孔和桥接的 PEO 链之间不均匀分配，孔的变形先于链的延伸，这解释了大应变下的非线性弹性行为。
研究结论表明，通过快速注射制备的分级多孔水凝胶，其微米级孔隙可调节，且微观结构决定机械性能。这种水凝胶在大应变下具有完全可逆的弹性变形能力，且微观结构可独立于纳米结构进行调节。该研究为合成生物材料性能的调控提供了新途径，有望应用于定制细胞支架和生物医学材料领域，通过选择初始两亲性嵌段共聚物结构和后续加工参数，实现对机械性能的多样化调控，推动生物医学材料的发展。
