广工大《AFM》：具有卷曲结构的仿生应变强化水凝胶！

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‍承重组织本质上是天然的结构水凝胶，在较小的变形间隔内经历快速拉伸，其中应力强度以远高于传统水凝胶的速率增加数量级。合成水凝胶是一种独特的组织模拟物，但很少能复制天然组织的应变特性。这种机械失配影响了水凝胶在实际应用中的性能。

来自广东工业大学的学者受胶原组织卷曲结构的启发，研制了一系列由弯曲平行纤维组成的应变增强水凝胶。这些纤维是由一束相互缠绕的纳米膜构成的，这些纳米膜由短烷基侧链改性的聚合物链组成。这种层次化的组织实现了精细的级联变形，促进了从软到软，从弹性到粘弹性的转变，从而协同地模拟了自然组织的应变自适应应变强化和阻尼行为。结合结构演变和本构模型，合理调整弯曲纤维的曲折性和柔韧性，可以产生多种应变强化特性的组合，并前所未有地渗透到多个组织的区域。卷曲结构和由此产生的增韧性能构成了用于胶原组织修复的纳米纤维基支架的重大改进。相关文章以“Biomimetic Strain-Stiffening Hydrogelwith Crimped Structure”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202104139

图1|用于组织样应变适应性强化的水凝胶的仿生设计。A)单轴拉伸应力-应变(σ−λ)曲线反映了生物材料和合成材料的力学差异，可将湿材料和软材料分为应变软化材料和应变增韧材料。传统的弹性体、韧性水凝胶和热塑性塑料不能完全再现组织的应变-应变特性，这从小/中拉伸下组织的拉伸曲线与组织的拉伸曲线的急剧背离可见一斑。

图2.通过重塑非结构化水凝胶制备仿组织水凝胶。A)用于将无结构的C8-0.1水凝胶改造成具有排列和卷曲的纤细结构的SRC-n-t水凝胶的SRC方案示意图。首先(拉伸)，将初始长度为“L”的原始C8-0.1水凝胶条拉伸到断裂前长度“8×L”，并在水中放置12h；第二(释放)，部分释放施加的拉伸，得到条长度“n×L”(n>1)；第三(交联)，将得到的水凝胶在稀释的GA中浸泡≈“t”分钟，通过与C8-0.1中残留的-OH基团反应诱导共价交联。

图3。SRC-4-20的应变自适应力学。a)SRC-n-20和b)SRC-4-t的拉伸行为。c显示src-n-t系列和几个有代表性的生物组织的应变参数的雷达图表。对于每个参数，数据点到雷达图中心的距离反映了该值(以对数刻度绘制)。d)本文的具有卷曲结构的水凝胶成功地渗透到组织区域。e)SRC-4-20水凝胶中裂纹扩展的照片，显示的是横向开裂。

图4.SRC-4-20的多尺度结构演变。a)SRC4-20拉伸曲线的三个特征区(趾形、脚后跟和线形)。b)扫描电镜图像和c)不同区域纤维的有序参数。e)不同应变下SRC4-20的X射线衍射图谱和相应的f)主链-主链间距(d₁)和g)侧链间距(d₂)。

图5。平行卷曲纤维板的粘弹性模型。A)用于研究SRC-n-T水凝胶拉伸行为的半结构模型。B)将该模型应用于试验结果。

图6.在卷曲结构上培养的细胞可以耐受外部伸展。a)大鼠皮肤成纤维细胞在非结构化C8-0.1、SRC4-20和SRC-7-20上培养。接种48h后，进行静态拉伸24h；b)静息和拉伸状态下培养的大鼠皮肤成纤维细胞活/死染色。箭头表示纳米颗粒的排列和外部施加的单轴应变方向。刻度尺为250微米。

总而言之，胶原组织的收缩模型激发了一种具有排列和卷曲的纤毛结构的仿组织水凝胶的诞生。该凝胶通过可逆的疏水缔合而交联，通过对无结构的短烷基侧链修饰的PVA水凝胶进行重塑，实现了层次化结构。该工程仿组织水凝胶呈现J形拉伸曲线，在低应变时表现为高弹性材料，在高应变时表现为减震材料。

多尺度力学在拉伸过程中的伸缩响应导致了弹性和力-阻尼态之间的快速转变：弯曲的纤维首先通过熵弹性伸直和储存能量，随后伸直的纤维通过疏水微区的动态解离/再解离来耗散能量。可以利用这种结构-性能关系，通过调节重塑过程来很容易地调节应变应变参数，包括杨氏模量、应变应变开始时的临界拉伸点和应变应变容量，这些参数包括杨氏模量、应变开始时的临界拉伸点和应变应变容量。本文的应变适应性水凝胶的定制化机制、多功能加工性和良好的生物相容性成功地结合在一起，激励我们设想一系列组织仿制物作为可植入结构基质或生物组织替代的潜在平台。（文：SSC）

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