CNC/PEGDA/胶原悬浮液液晶行为对其超滤超声诱导正交各向异性组装的作用机制研究

本研究针对纤维素纳米晶（CNC）在生物材料中宏观定向调控的难题，创新性地结合 frontal ultrafiltration (FU) 与 ultrasound (US) 技术，探究了 PEGDA 和胶原添加对 CNC 液晶行为及正交各向异性结构的保留作用。结果表明：液晶行为是形成正交结构的关键，声学功率与过滤时间是核心参数，并明确了可实现正交结构的配方条件（含/不含胶原）。该研究为组织工程中仿生各向异性水凝胶的制备提供了新策略。

　　

纤维素作为自然界最丰富的多糖，在生物材料领域展现出巨大潜力，尤其是纳米纤维素（cellulose nanocrystals, CNC）因其卓越的力学性能（轴向弹性模量110-220 GPa，拉伸强度7.5-7.7 GPa）和独特的液晶行为，成为组织工程支架的理想增强材料。然而，将CNC作为纳米填料与聚合物混合时，在宏观尺度上控制和保持其定向排列仍是一个重大挑战。尽管CNC在水溶液中可自组织形成各向异性相（如向列相和胆甾相液晶），但这种结构在停止外界作用后难以维持，限制了其在仿生材料中的应用。

为了攻克这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，旨在探索添加生物相关大分子——光可聚合聚合物聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol) diacrylate, PEGDA）和胶原——对CNC正交各向异性结构保留的影响。该研究近期发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，通过将 frontal ultrafiltration (FU) 与 ultrasound (US) 相结合，成功实现了CNC悬浮液的正交各向异性组织，并系统评估了液晶行为在其中的关键作用。

研究团队运用了几项核心技术方法：首先，通过流变学测量和偏光显微镜观察揭示了悬浮液的液晶行为；其次，利用原位二色性测量技术在FU/US过程中实时监测颗粒取向变化；此外，还建立了相图分析以确定不同成分浓度下的相行为，并通过偏振光显微镜观察胆甾相指纹图案以计算螺距。实验所用CNC悬浮液（10.6 wt%）购自美国缅因大学，胶原（酸溶性，来自小牛皮）购自法国Symatese，所有悬浮液均在室温下搅拌2小时以确保均匀。

研究结果部分，从“胶体行为观察”、“正交结构形成”等多个方面展开了详细阐述：

3.1. 胶体行为观察

流变学分析显示，CNC悬浮液在剪切下呈现典型的液晶三区域行为：区域I（低剪切速率）粘度迅速下降，与胆甾相域逐渐取向相关；区域II（中等剪切速率）粘度稳定，形成“牛顿平台”，表明CNC在流动中达到稳态排列；区域III（高剪切速率）再次出现剪切稀化，源于胆甾结构破碎直至形成向列状排列。添加20 wt% PEGDA后，该三区域行为得以维持；而在酸性pH（0.5 M乙酸）下加入胶原（0.01-0.1 mg/mL），6-8 wt% CNC悬浮液仍保持液晶行为，但5 wt% CNC体系则丧失该特性。相图评估进一步证实，酸性pH下胶原的添加拓宽了双相区，且胶原与CNC尺寸相近（长约300 nm，直径1.5 nm），可能产生空间位阻，需要更高CNC浓度以稳定胆甾相。偏振光显微镜观察显示，所有样品均出现胆甾相特征指纹图案，证实液晶行为未被破坏；螺距测量表明，PEGDA的加入显著减小了螺距，归因于其吸附于CNC表面增强了粒子间相互作用，而胶原的额外添加未进一步影响螺距。

3.2. 超滤超声下的正交结构观察

通过原位二色性测量，研究人员考察了过滤时间和声学功率对正交结构形成的影响。对于XCNC_20P悬浮液（5-8 wt% CNC），在1.2 W·cm^-2声学功率下过滤60分钟后，颗粒取向角在膜附近呈水平（约90°），在振动叶片附近转为垂直（约180°），成功形成正交各向异性结构。然而，5CNC_20P_0.5AA_0.01Col悬浮液因缺乏液晶行为，在整个过滤过程中未发生取向变化。声学功率实验表明，随着功率从1.2 W·cm^-2增至6 W·cm^-2，垂直取向层厚度增加，但正交结构在所有功率水平下均得以保持。

研究结论与讨论部分强调，液晶行为是实现CNC正交取向的先决条件。具体配方条件下：i) 无胶原时，20 wt% PEGDA与5-8 wt% CNC；ii) 酸性pH含胶原时，20 wt% PEGDA、6-8 wt% CNC与0.01-0.1 mg/mL胶原，均可成功保留正交结构。声学功率和过滤时间是调控该结构的关键参数。这些发现不仅证实了FU/US工艺在复杂生物悬浮液中诱导定向结构的可行性，还为后续通过光交联固定取向结构、开发仿生软骨支架（模仿关节软骨中胶原纤维的正交各向异性排列）奠定了坚实基础，有望推动组织工程领域的发展。