四川大学熊锐/中山大学吴嘉宁 Adv. Mater.：梯度手性结构构筑仿生多功能水凝胶
水凝胶与生物组织相似， 兼具高承载能力和高含水量，在组织工程、可穿戴设备和软机器人方面具有广阔的应用前景。高强度、高模量、高韧性和抗疲劳特性对水凝胶实际承重应用至关重要，但传统水凝胶由于松散的交联和各向同性的网络结构导致机械性能较。为此，目前已经提出了多种增强和增韧策略，例如构建多重交联、双网络、纳米晶体和分子链取向等，但这些水凝胶的结构层次有限，难以实现高强度、高模量、高韧性和抗疲劳性的统一。
受天然甲壳类生物外骨骼多尺度梯度手性结构 （扭曲胶合板结构）的启发，四川大学熊锐特聘研究员和中山大学吴嘉宁副教授通过梯度手性结构和分子工程，构建出具有多尺度分级结构的强韧水凝胶。利用纤维素纳米晶体 (CNCs)的胆甾型液晶自组装和有序堆叠，构建高度有序且连续的梯度手性结构。随后通过盐析和冻融循环，促进聚乙烯醇 (PVA) 纳米晶体域的形成。由于分子尺度到微观尺度的分级调控，仿生水凝胶具备优异的机械性能，强度 (46 ± 3 MPa)、模量 (496 ± 25 MPa) 和韧性 (170 ± 14 MJ m-3) 以及高疲劳阈值 (32.5 kJ m-2) 和抗冲击性 (48 ± 2 kJ m-1)。此外，由于梯度结构存在溶胀性差异，通过形状设计可构建复杂结构的三维结构水凝胶，为仿生结构水凝胶提供了一种独特的设计方法。该研究论文以题为“Biomimetic Structural Hydrogels Reinforced by Gradient Twisted Plywood Architectures”发表在最新一期《Advanced Materials》上。
仿生梯度水凝胶的构建机制
图 1a 展示了通过结构和分子工程构筑具有梯度手性结构水凝胶的设计和制造策略。CNC 是天然高分子纳米晶体，呈棒状形态、具有优异的生物相容性、高刚度（150 GPa）和强度（7 GPa），聚合物PVA具有出色的亲水性且可以诱导形成纳米晶域。作者利用蒸发诱导自组装技术，制备出具有手性结构的纳米复合薄膜。通过将三种不同手性周期的PVA/CNC膜有序堆叠在一起来构建梯度结构，对制备的梯度纳米复合膜进行盐析处理，通过溶胀形成水凝胶。在这过程中，霍夫迈斯特效应诱导PVA形成结晶域。然后通过冻融循环促进PVA链的聚集和缠结，增强结晶相从而成功构建仿生梯度水凝胶。
图1.仿生梯度水凝胶的设计和组装示意图
梯度水凝胶的结构和分子表征
得益于在可见光波长下长程有序的手性结构，制备的 PVA/CNC 纳米复合膜呈现出鲜艳的结构色。通过调整 PVA 的含量，可以在整个可见光波长范围内调节手性结构的间距使其呈现出不同的手性结构色。长程有序的手性结构通过薄膜表面形貌（AFM）中CNC的高度有序排列和薄膜横截面（SEM）上均匀的手性层状CNC结构得到验证。
图2.梯度水凝胶的结构和分子表征
梯度水凝胶的力学性能
作者通过构建PVA 水凝胶、手性结构水凝胶 (t-hydrogel) 和具有无规 CNC 结构的梯度水凝胶 (gr-hydrogel)来探究分级结构对水凝胶力学性能的影响。相比于经过盐析和冻融处理的PVA 水凝胶，通过构建手性结构或梯度结构的水凝胶表现出更优异的力学性能。在仿生梯度水凝胶（gt-hydrogel）中进一步结合这两种结构特征，可以实现优异的强度（46 ± 3 MPa）、超高的杨氏模量（496 ± 25 MPa）和卓越的韧性（170 ± 14 MJ m-3），分别是 PVA 水凝胶的 3.9 倍、2.0 倍和 9.8 倍。另一方面，为了确定分子工程在仿生梯度水凝胶力学增强中的作用，分别比较了通过水溶胀、盐析和盐析/冻融组合构建的非结晶性、低结晶性和高结晶性仿生梯度水凝胶的机械性能。其力学性能的提高得益于结晶度的提高，高结晶度的水凝胶比非结晶水凝胶强度高6.8倍，杨氏模量高165.3倍，韧性高10.0倍。此外，所制备的仿生梯度水凝胶的强度和韧性均超过了已报道的水凝胶和天然人工组织。
图3. 梯度水凝胶的力学性能
3D变形梯度水凝胶的构建
在该体系中，顶部水凝胶由PVA 含量低的PVA/CNC复合薄膜组成，由于有限的溶胀能力而作为被动层。底部水凝胶由PVA 含量高的PVA/CNC复合薄膜组成，作为活性层溶胀程度更大以诱导变形。通过溶胀性差异以及独特的形状设计，可通过调控不同 2D 几何形状的变形来构建复杂的 3D 结构水凝胶，例如三角形、“H”、“T”和花朵图案。该形变具有永久性，即在完全干燥后也仍然能保持 3D 形状。
图4. 3D变形梯度水凝胶的构建
总结：作者通过将分层梯度结构工程与分子工程相结合，构建出具有优异机械性能的结构水凝胶。该水凝胶具有多尺度的分层结构，包括微/纳米尺度上的长程有序梯度手性结构以及高度结晶的分子网络，从而结合不同尺度的强韧化机制，使水凝胶兼具高强度、高模量、高韧性和抗疲劳性的机械性能。此外，通过调控多层水凝胶中的几何形状和成分分布，构建出可编程的3D 变形水凝胶。由于该水凝胶具有良好的力学性能、生物相容性和变形能力，有望用于组织再生的复杂组织支架，模拟天然细胞外基质，促进细胞生长和分化，以及软体机器人或传感器等领域。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411372?af=R
