自然界的许多生物材料，如肌腱、蜘蛛丝、蚕丝和竹子等，展现出从纳米到数百微米的复杂层级结构，这些结构赋予了它们非凡的机械性能，包括低刚度与高强度的结合，以及对裂纹的不敏感性。然而，将这些复杂的自然结构复制到工程材料中仍然是一个巨大的挑战。尽管许多研究已经表征了具有高抗裂纹扩展性和其他独特性能的自然材料的纳米/微观结构，但人工复制这些复杂结构仍然面临巨大的挑战。自然中的复杂结构通常是在漫长的生长过程中形成的，而合成聚合物必须在更短的时间内制造出来。分子组装和结构取向的复杂性给生物模拟材料的设计和制造带来了严重的障碍，这强调了在材料设计和制造中需要创新策略。
在过去几十年中，虽然已经建立了许多制造纤维结构的方法，但这些方法往往在材料可用性、效率、分辨率和形态精确控制之间存在权衡。例如，挤出和拉伸是制造聚合物纤维和纤维结构的常用技术，但这些方法的成功应用依赖于材料特性，并且仅限于某些热塑性聚合物。此外，这些方法在典型工艺条件下不利于亲水性纤维的生产。电纺丝是另一种制造纤维材料的方法，它在应用中显示出显著的潜力，但需要仔细控制工艺，以防止纤维合并，这会降低材料的各向异性。
哈佛大学Joost J. Vlassak和Kevin Kit Parker等人
通过湿法旋转喷射纺丝（WRJS）技术结合盐析法，成功制备了具有高度取向和抗缺陷特性的仿生层级纤维水凝胶。该水凝胶的强度达到3.9 MPa，断裂能高达5.3 MJ/m³，表现出优异的力学性能和各向异性；同时，其在37°C的PBS溶液中储存3个月后，力学性能仅略有下降，展现出卓越的长期稳定性，使其在软体设备和组织工程等领域具有巨大的应用潜力。
1.主要内容：
图1 纤维水凝胶的设计与
制造
研究者开发了一种湿法旋转喷射纺丝（WRJS）平台，
通过模拟蜘蛛丝纺丝过程中的剪切诱导链重排，制造出具有高度对齐的纤维结构。这些纤维在乙醇中收集并经过盐析处理，形成具有纳米尺度结晶区域的水凝胶。
通过调整纺丝和收集条件，实现了从分子到宏观尺度的各向异性排列，最终制造出具有生物组织类似机械性能的纤维水凝胶。
图2 纤维水凝胶的微观结构表征
通过宽角X射线散射（WAXS）和差示扫描量热法（DSC）分析了纤维的结晶度，发现经过盐析处理的纤维具有更高的结晶度。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了纤维中无盐残留。偏振拉曼光谱和小角X射线散射（SAXS）进一步验证了聚合物链的取向和结晶区域的各向异性排列，
表明纤维在分子和纳米尺度上具有高度对齐的结构。
图3 纤维水凝胶的力学性能
单根纤维在经过K₂SO₄溶液处理（PES）后，展现出较高的初始刚度，且在大变形下由于结晶度较高（35.6% ± 8.9%），展现出较高的流动应力。相比之下，直接从乙醇转移到水中的纤维（PEW）结晶度较低（21.0% ± 8.5%），在大变形下的流动应力显著降低。经过K₂SO₄处理的纤维水凝胶（PESW）在纵向方向上的模量为0.96 ± 0.03 MPa，强度为3.9 ± 0.2 MPa，而横向方向上的强度为0.96 ± 0.06 MPa，表现出明显的各向异性。此外，PESW纤维水凝胶的断裂能为5.3 MJ/m³，与理论值接近，表明其力学性能优异。
与各向同性PVA水凝胶相比，纤维水凝胶的模量和强度显著更高，且在37°C的PBS溶液中储存3个月后，其力学性能仅略有下降，显示出良好的稳定性。
图4 纤维水凝胶的断裂和疲劳特性
研究者通过引入预裂纹进行拉伸实验，发现纤维水凝胶对裂纹扩展具有显著的不敏感性，即使在裂纹长度超过样品宽度80%的情况下，样品仍能保持完整性。相比之下，各向同性水凝胶在裂纹引入后会迅速断裂。纤维水凝胶的这种裂纹不敏感性归因于其纤维结构的应力分散效应和单纤维的裂纹不敏感性。此外，
纤维水凝胶在循环加载实验中表现出优异的抗疲劳性能，即使在高应变幅度下也能保持稳定的力学性能。
图5 纤维水凝胶在张力结构和肌腱修复中的应用
研究者构建了一个由3D打印的压缩单元和纤维水凝胶张力单元组成的张力结构模型，验证了纤维水凝胶在结构稳定性方面的优势。
在肌腱修复实验中，纤维水凝胶被用作替代材料，通过简单的连续缝合固定在断裂的肌腱上。实验结果表明，纤维水凝胶在小位移和大位移条件下均能提供与标准Krackow缝合相当的机械支持，且在大位移后仍能保持其强度和功能，显示出其在肌腱修复中的潜力。
2.全文总结：
本研究通过WRJS技术和盐析过程成功制造出具有高度对齐层级微观结构的纤维水凝胶，
其机械性能与多种自然组织相当，具有优异的抗裂纹扩展能力和抗疲劳性能。
这种纤维水凝胶在软体设备和组织工程中具有显著的应用潜力。
参考资料：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102054
来源：
EngineeringForLife
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