新型水凝胶材料可以调控力学性能,有望为再生医学提供新材料

仁济医院 袁蕙芸  发布于:2019年12月25日 11:39 


近日,上海交通大学医学院附属仁济医院分子医学研究院刘尽尧课题组在国际顶尖学术期《先进材料》(Advanced Materials影响因子25.8),发表题为“Switching between elasticity and plasticity by network strength competition”的研究论文。该团队设计出可以调控其力学性能的复合水凝胶,有望为再生医学和组织工程领域提供新材料。刘尽尧是该研究论文的通讯作者,第一作者为上海交通大学医学院在站博士后明尊振。

据刘尽尧介绍,人体中存在许多软组织,比如软骨、骨骼肌、角膜和血管等。为适应复杂的体内生理环境,这些组织具有层次有序的复合结构,并表现出高度各向异性的机械强度和性能。水凝胶是一类含水量高的三维网状材料,具有与软组织类似的结构。通过分子设计,水凝胶可达到与软组织接近的力学性能及良好的生物相容性,这使得该类材料在生物医药和组织工程领域得到了广泛应用。相比传统的水凝胶材料,各向异性水凝胶在组织工程应用方面具有更大潜力,更能满足其对材料力学性能的需求。不过,目前仍然缺乏有效的方法来调控各向异性水凝胶的力学性能,以适应复杂的体内生理环境。

为解决该问题,刘尽尧课题组通过借助水凝胶网络强度之间的竞争,提出一种调控水凝胶力学性能的新机制。基于该方法,水凝胶材料可在弹性、塑性、各向异性以及溶胀性能方面进行调节,并能实现对所装载药物分子的可控释放。

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在本研究中,刘尽尧团队设计了由两种不同网络结构组成的复合水凝胶。其中一种为共价交联的聚合物网络,能为水凝胶带来良好的弹性。另一种则为具有剪切变稀属性的纳米纤维网络,能赋予水凝胶优异的塑性。通过调节两种网络各自的力学强度,就可以实现水凝胶材料在弹性和塑性之间的转换。比如,当共价交联网络的力学强度高于纳米纤维网络时,该水凝胶表现出良好的弹性。反之,该材料则表现出优异的塑性。在此基础上,将所得到的塑性水凝胶进一步拉伸,可制备具有高强度和高韧性的各向异性水凝胶。这是在拉伸过程中,由于纳米纤维网络进行取向排列,使得到的水凝胶材料在平行于纤维的方向具有更高的拉伸和压缩模量。同时,因为纤维的取向,该水凝胶材料同时还具有各向异性的溶胀行为和药物释放速率。这类新型的水凝胶材料有望为再生医学和组织工程领域提供新材料。

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 论文链接https://doi.org/10.1002/adma.201906870

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