文章來源：X-MOL資訊
水凝膠材料在生物醫學領域展現了廣闊的應用前景，成為當前最受關注的生物材料。力學性能是材料的應用前提，然而水凝膠材料天生質弱，強度低、韌性差，成為限制其應用的瓶頸難題。多年來，國內外研究人員傾注大量的時間與精力，致力於攻克這一難題。可以說，在水凝膠領域，掌握了解決力學難題的核心技術，就擁有了開啟應用之門的鑰匙。特別是近幾年，伴隨著產業界對水凝膠材料的青睞，相關技術的臨床轉化儼然已進入白熱化競爭階段。然而時至今日，這一問題始終沒有得到有效解決。儘管當前已有多種提升水凝膠力學性能的方法，例如雙網路策略以及基於聚乙烯醇的結構最佳化策略，但這些方法無一例外涉及冗長製備流程或苛刻製備條件，限制了其臨床轉化應用。
為了攻克上述難題，上海交通大學林秋寧研究員/朱麟勇教授課題組提出一種全新的、廣泛適用的水凝膠交聯技術。基於該技術，常規的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、多糖等，僅需數秒光照即可形成既強（15.3 MPa）又韌（138.0 MJm-3）的水凝膠材料，幾乎顛覆了水凝膠製備與力學屬性的常規認知。更驚人的是，該水凝膠材料能夠循環拉伸超過10萬次，展示了無與倫比的回彈性與耐疲勞性，完全能夠與非水體系的彈性體材料如橡膠、聚氨酯等相媲美。該技術的提出，意味著高強韌水凝膠材料的製備將從此變得輕而易舉，賦予水凝膠生物醫用廣闊的想象空間。基於該技術突破，原本無法加工的高精密、複雜水凝膠器件（如支架、血管等），現皆可通過光投影3D列印進行加工製造。相關成果發表於Nature Materials，第一作者為上海交通大學鮑丙坤博士、曾慶梅博士、李凱博士，以及華東理工大學溫建鋒教授，通訊作者為上海交通大學林秋寧研究員和朱麟勇教授。該工作得到華東理工大學塗善東院士團隊在模擬計算、浙江大學賀永教授團隊在3D列印方面的支持與幫助。
以聚乙二醇和透明質酸構築的水凝膠為例，作者對該技術背後全新的「光偶聯反應」原理進行了實驗論證。在此過程中作者發現，該水凝膠形成了獨特的微觀結構：呈現力學有利的微觀相分離；其中，聚乙二醇形成連續相，模量較低，透明質酸聚合形成分散相，模量較高；兩相通過「光偶聯反應」建立牢固界面，實現兩相完整一體化。有趣的是，該微觀結構無需人為精心設計或小心調控，在光照下數秒內即可自發形成。正是因為此，水凝膠的凝膠化過程異常快速且條件溫和，具備臨床易操作屬性、契合生物安全性要求，從而奠定了該技術臨床轉化應用的基礎。
圖1. 水凝膠技術的交聯反應原理。圖片來源：Nat. Mater.
該技術的一個優勢在於，構築的水凝膠材料不僅力學性能出色，而且其性能參數在很大範圍內可按需調節。例如，選擇合適配比，水凝膠材料展現優異的拉伸能力，能夠拉伸屈服至原始長度的28倍。此時，水凝膠材料的韌性高達138.0 MJ m-3，比高韌性水凝膠材料的代表——雙網路水凝膠——高出近一個數量級。如此高的韌性表現，甚至超越大多數金屬與非金屬材料，如高強度鋼、尼龍、合成橡膠以及木材等，可以與蛛絲比肩。當配比改變，水凝膠亦可轉變為不屈服的高強度材料，強度高達15.3 MPa。該強度代表已報道共價網路水凝膠的最高水平。值得注意的是，無論在哪種配比下，該技術製備的水凝膠都能夠兼顧強度與韌性性能，克服材料「強韌互斥」的普遍矛盾。
圖2. 水凝膠材料的力學性能。圖片來源：Nat. Mater.
為了闡明強/韌水凝膠設計的關鍵，從而形成普適性構築方法，作者系統研究了水凝膠微觀結構與力學性能之間的「構效關係」。通過水凝膠拉伸前後微觀結構的對比與分析，作者發現了強韌水凝膠設計的決定性因素：兩相界面。只有界面夠強，分散相在受力過程中才能發生有效、充分的破裂，從而消耗足夠多能量，賦予材料高韌性。有限元模擬計算的結果表明，材料在受力過程中，應力更容易在兩相界面處集中。同樣的道理，界面越強，能夠支撐的集中應力越高，材料的強度就越高。作者進一步設計實驗，減弱界面強度，「反向」證明界面在高強韌水凝膠設計中的決定性作用。考慮已報道的奈米複合水凝膠雖具備相分離結構，但無牢靠界面支撐，論文結論有望啟示解決該類水凝膠力學問題的新方向。
圖3. 水凝膠材料微觀結構與力學性能的關聯性。圖片來源：Nat. Mater.
最後，作者從水凝膠的製備時間、力學性能兩個方面對新技術與現有水凝膠技術進行對比，展示新技術在水凝膠製備與力學性能方面無與倫比的綜合優勢。典型地，這些技術優勢能夠改變當前水凝膠3D列印現狀，賦予列印器件更高的結構複雜性以及更高的列印精度。另外值得強調的是，除了水凝膠材料，該技術涉及的交聯原理同樣適用於非水材料體系，例如丙烯酸酯彈性體，在材料製備以及力學性能提升方面展現可移植的技術優勢。
圖4. 水凝膠技術的優勢與典型應用。圖片來源：Nat. Mater.
值得一提的是，上海交通大學林秋寧研究員/朱麟勇教授團隊就本論文提出的「光偶聯反應」原創凝膠技術進行了完整的智慧財產權佈局，從原料、製備、配方、產品及其臨床應用進行全面保護，截止目前，共申請中國、PCT、美國、歐洲和日本等發明專利20項，已授權中國發明專利10項、美國發明專利3項、日本發明專利1項。基於此，團隊開發了多款水凝膠墨水，可廣泛應用於數字光處理（DLP）、擠出式等3D列印技術，用於加工製造高精度、複雜形狀的水凝膠結構。同時，團隊就該技術進行臨床轉化，當前已完成產品的工程化、安全性驗證以及註冊檢驗，定型了兩款光固化醫用膠產品，分別完成了多中心臨床試驗，並提交1項創新醫療器械申請。技術臨床轉化所依託的醫療科技公司已完成A輪融資。
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：
Rapid fabrication of physically robust hydrogels
Bingkun Bao, Qingmei Zeng, Kai Li, Jianfeng Wen, Yiqing Zhang, Yongjun Zheng, Renjie Zhou, Chutong Shi, Ting Chen, Chaonan Xiao, Baihang Chen, Tao Wang, Kang Yu, Yuan Sun, Qiuning Lin, Yong He, Shantung Tu & Linyong Zhu
Nat. Mater.,2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01648-4
導師介紹
朱麟勇
https://www.x-mol.com/groups/linyong_Zhu
