龚剑萍教授《先进材料》：媲美韧带的纤维状结构水凝胶

自然界的材料往往由纳米尺度到宏观尺度的多层次结构组成，比如肌腱和软骨。如何用简单的方法构筑具有多级纤维结构的各向异性水凝胶是目前最具挑战的研究方向。

北海道大学龚剑萍教授课题组通过生物启发，采用限域干燥法，制备出一种具有完美排列多尺度分层排列的纤维结构水凝胶，性能可以媲美软骨和肌腱。相关成果于1月17日以题为“A Facile Method to Fabricate Anisotropic Hydrogels with Perfectly Aligned Hierarchical Fibrous Structures”发表在《先进材料》杂志上。

限域干燥法制备多级纤维状结构水凝胶具体的来说，包括以下四个步骤。(Ⅰ)将具有形成纤维所需氢键位点的物理凝胶，用夹具夹住凝胶的两端；(Ⅱ)将凝胶留在空气中晾干。由于干燥过程中凝胶在宽度和厚度方向发生收缩。由于长度方向的收缩受到夹具限制而受到张力，从而使聚合物链在长度方向上取向。在干燥过程中，当聚合物的密度达到形成纤维的浓度时，在沿拉伸方向上，由于氢键的作用形成直径较小的纤维；(Ⅲ)进一步干燥过程中，纳米纤维聚集形成纤维聚集体，重复这一过程得到具有多级结构的纤维状结构水凝胶；(Ⅳ)最后，将纤维状水凝胶再次溶胀，再次溶胀后的凝胶保持了由于稳定氢键形成的纤维状结构，至此得到了纤维状结构水凝胶。

图1.设计策略。限域干燥法（DDC）制备多级纤维状结构水凝胶的示意图

接下来作者对比了不同制备过程的藻酸钙凝胶、纤维素凝胶，包括：初始溶胀后的样品，自然干燥的凝胶和不同预拉伸下DDC法制备的凝胶的机械性能。其中100%预拉伸下的DDC-纤维素凝胶模量达到342MPa，断裂强度为53MPa。采用DDC法制备的纤维状结构水凝胶性能碾压自然干燥下的水凝胶，力学性能可媲美膝盖韧带。

扫描电镜下DDC法制备的藻酸钙凝胶的微观形貌及机械性能：

扫描电镜下DDC法制备的纤维素凝胶的微观形貌及机械性能：

总结：作者开发出一直简单易行的制备规则排列的多层级结构纤维状各向异性水凝胶，为开发生物医用放生材料提供了新的思路。

全文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704937/full

来源：高分子科学前沿

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