水凝胶由可渗透水的聚合物网络组成，在跨学科领域得到了广泛的研究。然而，
与天然承载组织相比，交联松散、固含量低、结构均匀的传统水凝胶往往脆弱易碎，
这极大地限制了其应用
。近年来，通过设计晶域、冷冻铸造、盐沉淀、引入复合纳米填料和预拉伸等方法，开发出了具有高力学性能的水凝胶。冷冻铸造制备的水凝胶表现出力学各向异性，在平行于主纳米纤维形成的方向上具有较高的拉伸强度和韧性，但在横向方向上力学性能较差。
同时提高水凝胶的所有力学性能是很困难的。
根据以往的研究，同一材料的强度和韧性之间存在着内在的冲突，刚度和韧性这两种性能往往是相互排斥的
。因此，高性能各
向同性水凝胶的开发仍面临着很大的挑战。
天津工业大学
李
政
教授、
张松楠
副研究员
研究团队
将静电纺丝制备的柔性
SiO
2
纳米纤维
(SNF)在PVA溶液中均质化，然后通过冷冻干燥和退火相结合的方法制备了FDA-SNF/PVA水凝胶。
FDA-SNF/PVA
在增强刚度
(10.56 ~ 13.41 MPa)
和韧性
(6.76 ~ 10.01 MJ m
−3
)
之间取得了很好的平衡
。制备的水凝胶并且具有超弹性
(100次拉伸不产生塑性变形)、快速变形恢复能力
。这个方法
为优化水凝胶的力学性能提供了有效途径，在人工肌腱和韧带方面具有潜在的应用前景。
相关研究成果以
“
Triple-Mechanism Enhanced Flexible SiO
2
Nanofiber Composite Hydrogel with High Stiffness and Toughness for Cartilaginous Ligaments
”
为题发表在
24年的
《
Small
》
上。
【
制备工艺
】
(1)
将
SNF
分散在
PVA
溶液中，制得均一的
SNF/PVA
共聚溶液。除泡后将其倒入模具中。随后，在超低温冰箱中冷冻
12
h
后，通过冷冻干燥得到
FD-S
N
F/PVA
。退火后的样品浸泡在去离子水中至平衡，得到的水凝胶记为
FDA
X
-
YZ
。（其中
X
、
Y
、
Z
分别表示
PVA
在
H
2
O
溶液中的质量分数、退火温度、退火时间）
(2)
通过对
PVA浓度为20
wt%的均质S
N
F/PVA预聚体溶液
进行冻融处理
制备
得到
FT
，然后
再
冷冻
12
h，冷冻干燥
和
升华
2天
，复水
化
，得到
FD
。
【
文章亮点
】
(1)
与
FT、FD和FDA PVA相比，
FDA-SNF /PVA在综合力学性能方面具有明显优势。其中，FDA
20
-12090的抗拉强度、韧性和弹性模量分别为5.77±0.38 MPa、6.31±0.32 MJ m
−3
和
10.56±0.24 MPa。FDA
30
-12090水凝胶的抗拉强度为
7.84±0.10 MPa
，韧性为
9.95±0.42 MJ m
−3
，弹性模量为
13.71±0.28 MPa
。
(2)
在拉伸载荷释放过程中，
FDA-SNF/PVA中氢键网络的快速重建使其具有超弹性和低迟滞，使其能够快速从变形中恢复。
FDA
20
-12090
在
100次
循环拉伸后仍能保持
70%的初始应力
。在不同恢复时间的循环拉伸中，
一定的恢复时间后可恢复高达
96%的抗拉强度。
(3)
纳米纤维与水凝胶基质之间的强分子间相互作用，可以分担施加的载荷。使
PVA基体的损伤最小化。PVA分子链在拉伸过程中由卷曲扭曲状态变为排列的纳米纤维致密状态，这需要解开PVA链之间的缠结点，从而耗散大量能量，有效提高了水凝胶的抗拉强度和韧性。对于退火产生的晶体域，是有效的、强的物理交联，比单链聚合物需要更多的能量来破坏，极大地阻碍了裂纹的扩展，从而使水凝胶更坚韧、更强。
(4)
FDA
20
-12090在PBS中溶胀7天后，拉伸强度、韧性和弹性模量的保留系数分别可以达到70%、61%和92%。浸泡在PBS中7天后FDA
20
-12090能够保持其原有形状，膨胀率为5.32%，结构完整性良好。
通过
L929
细胞的活
/
死双染色，
72 h后表面仅检测到少量死细胞，说明FDA-SNF/PVA对细胞生长无不良影响，具有细胞相容性。
图
1.
FDA-SNF/PVA制备流程图
图
2.
SNF/PVA复合水凝胶的微观结构表征
图
3.
不同退火温度和退火时间下
FDA的力学性能
图
4.
FDA-SNF/PVA的超弹性和稳定性
