仅供医学专业人士阅读参考
点击右上方“关注”，准时接收每日精彩内容推送。
水凝胶是一种遇水膨胀的交联聚合物网络。由于其柔软和含水的特性，水凝胶是一种在生物医学工程、软机器人和环境研究等许多领域都很有应用前景的材料。水凝胶实际应用的主要障碍之一是其机械强度和韧性较低。自 2000 年代以来，在开发具有机械强度和韧性的水凝胶方面取得了许多突破性进展，使我们在软材料研究和对其失效机理的理解方面取得了巨大进步。此外，人们还对水凝胶的长期机械稳定性（即抗循环疲劳性和自加强性能）进行了研究，以便将其应用为承重材料。
来自日本北海道大学的李薛宇和龚剑萍团队全面概述了韧性水凝胶的设计原则。此外，还介绍了获得可适应周围机械环境的自生长和增强型水凝胶的策略。相关工作以题为“Design principles for strong and tough hydrogels”的综述文章发表在2024年05月07日的国际顶级期刊《Nature reviews materials》。
1. 创新型研究内容
【水凝胶力学模型】
学者们探索了各种理论模型，包括经典的 Flory-Rehner 统计模型、Arruda-Boyce 八链构造模型和 Gent 连续介质力学模型及其组合，以解释聚合物网络的溶胀和大变形。本研究分析了一个简单的仿射网络来表示水凝胶的结构，并讨论了其在不同溶胀状态下的橡胶弹性和断裂情况。该水凝胶具有均匀的聚合物网络，由各股组成，每股中 Kuhn 单体的数量（Nx）和每个单体的长度（b）是其特征（图 1a）。
图1 水凝胶的膨胀、溶胀和断裂行为
【设计策略】
实际上，水凝胶在合成后浸入水中通常会发生膨胀。理论部分所述模型水凝胶的参考状态可能与合成后的水凝胶相对应。水凝胶在平衡状态下的溶胀率受聚合物-溶剂（水）混合自由能产生的渗透压与水凝胶网络弹性之间的平衡所支配，这可以用 Flory-Rehner 理论来描述。一般来说，由中性聚合物制成的水凝胶会出现适度溶胀，导致溶胀时弹性模量下降（图 1a，结构 A）。与此相反，聚电解质水凝胶在纯水中由于平衡产生的离子渗透压导致过度溶胀，从而导致 E 随溶胀而增加（图 1a，状态 B）。当聚合物链之间可以形成物理键时，水凝胶在合成后会发生脱水现象。
在实际的水凝胶中，聚合物密度分布和聚合物链长度都存在固有的变化（图 2a）。因此，水凝胶自然包含许多缺陷。单个相对较大的缺陷会产生显著的应力集中并引发裂纹扩展，导致水凝胶在宏观应力水平上失效，而宏观应力水平远低于理论平均值。由于弹性水凝胶在变形过程中没有能量耗散机制，因此真正的膨胀水凝胶通常非常脆弱，而且由于更容易受到缺陷的影响，其失效行为很难预测。提高弹性水凝胶的韧性无疑是一项挑战。
通过实现理想的均质网络、可移动交联剂或裂解机制来减少空间异质性，可以改善应力均匀化（图 2b）。由定义明确的对称四面体状聚乙二醇（PEG）大单体制成的水凝胶与自由基聚合法得到的水凝胶相比，空间异质性更少，因此由于缺陷数量较少而提高了破坏强度和延展性。不过，这类凝胶的断裂能在 Lake-Thomas 模型估计的范围内（<100 J m-2），因为网络均匀性提高了强度，但没有提高断裂能，这与简单弹性网络断裂定理一致。
图2 膨胀（弹性）水凝胶
由于脱水水凝胶通常具有两种交联机制（共价和非共价），因此也被称为双交联水凝胶。非共价键可以动态解离和重新结合，从而耗散能量并保护由化学键交联的主网络免受应力过冲的影响。因此，动态键具有可逆牺牲键的功能，可以消散能量。目前已使用了多种非共价键，包括硼酸盐/二元醇复合物、静电作用、氢键、金属配体坐标键、疏水作用、π-π 作用、阳离子-π 作用和主客体作用（图 3a）。这类水凝胶的合成非常简单，通常只需一步反应即可形成化学交联的主网络。非共价相互作用是通过后处理诱导的，如透析去除多聚酶的反离子，或浸泡在多价离子溶液中形成配位复合物。在后处理过程中，链内和链间的动态键会形成并重组，从而形成聚集，使聚合物链塌缩成球状构象，类似于蛋白质的折叠结构。因此，这些水凝胶在后处理后会在水中脱泡（λs < 1），从而产生较高的聚合物体积分数（约 50%）。
图3 脱水（粘弹性）水凝胶和高阶结构水凝胶
引入高阶结构(如微相分离结构、微晶体和纤维、纤维编织物和纳米复合材料)是增韧水凝胶的有效方法（图 3b）。从分子到介观尺度的分层结构之间的相互作用赋予了水凝胶很强的抗裂性。特别是，由于亚微米尺度到厘米尺度的刚性成分增加了载荷传递长度，从而扩大了加工区，导致ГD增大。同时，Г0可提高两到四个数量级。因此，加入加固成分是同时大幅提高断裂能和疲劳阈值的最有效策略之一，其效果甚至优于生物组织（图 4）。
图4 采用不同策略制造的水凝胶的断裂能和疲劳阈值与弹性模量和强度的关系
长期循环载荷下的长期机械稳定性对于韧性水凝胶模拟肌肉和软骨等承重生物组织极其重要，因为这些组织在日常生活中不断经历着往复循环。2017 年，一项关于水凝胶疲劳的早期研究被报道。当样品在循环加载下的机械性能发生不可逆转的变化时，就会出现疲劳损伤。疲劳通常有两个方面的特征：预先存在的裂纹生长的临界能量释放率 G0，以及每周期裂纹生长率（dc/dN）与循环加载能量释放率 G 的关系（图 5a）。通常情况下，循环疲劳试验采用纯剪切或单边缺口几何形状的试样。在纯剪切几何形状的示例中（图 5a），在试样的中间边缘制作了一个垂直于加载方向的预缺口。在一定的加载振幅（λm）和循环周期（或速度）下，裂纹长度 c 的增长超过一定的能量释放率 G，且 c 随循环次数 N 的增加而逐渐增大。
目前，水凝胶的疲劳机制主要由橡胶弹性理论来解释。单网络水凝胶的疲劳阈值 Г0 遵循链裂解机制（图 5b），即 Lake-Thomas 模型，这在具有相对均匀网络结构的四聚乙二醇凝胶中也得到了证实。因此，在简单网络水凝胶中增加 Nx 是改善 Г0 的有效策略。然而，较大的 Nx 会导致较小的弹性模量 E。为解决这个问题，研究人员开发了以串联重复蛋白质（多蛋白）为交联剂、以盘绕 PAAm 为渗流网络的抗疲劳水凝胶。
图5 疲劳断裂测量和增强水凝胶抗疲劳性的机制
活体软组织具有非凡的自主生长、重塑和强化能力，可直接对机械力做出反应。例如，骨骼肌在接受周期性训练时可以增加质量和强度。因此，人们对开发基于力触发的机械非线性生成和随后诱导的化学反应的自生长和自强化聚合物网络越来越感兴趣。机械力通常会导致水凝胶中的键断裂，从而导致材料失效。这些机械副反应反过来又会启动交联或聚合传播等过程，从而有效地将机械能转化为材料强度的增加（图 6）。力诱导交联的首创方法是施加剪切力来触发 gem-dibromocyclopropanes 的开环生成烯丙基溴，随后通过与双官能团羧酸酯的亲核取代反应使其交联（图 6a）。机械触发的交联与破坏性剪切力相抗衡，使材料的模量提高了几个数量级。2019 年，一种“自生长”策略问世，它依赖于力诱导的机理性生成和随后在 DN 水凝胶中的聚合。最初的脆性密集交联网络在受到载荷时会发生断裂，同时产生机械副反应（图 6b）。
然后，这些机械副产物引发单体聚合，形成新的聚合物网络。这一过程类似于开放的动态生物系统，在反复的机械负载下，通过结构破坏和持续的单体供应重建，DN 凝胶的质量会增加，从而大大增强 DN 凝胶的强度（图 7a）。通过构建一个类似血管的循环系统向含有通道的 DN 凝胶供应单体，实现了水凝胶在空气中的可持续自生长（图 7b）。DN 凝胶系统中的力诱导自生长策略允许局部重塑，并可根据需要在水凝胶表面创建微结构，这为使水凝胶表面具有特定性质（如润湿性和细胞粘附性）提供了一种简便的方法（图 7c）。在此类系统中，活性机械离子浓度对破裂网络的重建起着至关重要的作用。DN 水凝胶是一种非同寻常的机械化学材料，因为脆性第一网络的内部断裂会产生大量的机械副产物。在第一层网络中使用弱偶氮烷烃交联剂可进一步提高机械副产物的生成效率，因为偶氮烷烃中的 C-N=N 键（偶氮基与饱和碳原子相连）的键解离能低于传统交联剂中的饱和 C-C 键和 C-N 键（图 6b）。
图6 为机械化学强化和自生长水凝胶提出的策略
图7 力诱导 DN 水凝胶的自生长和强化
2. 总结与展望
韧性水凝胶带来了承重以外的新机遇。由于韧性水凝胶是开放系统，可被小分子渗透，因此很有希望成为利用机械能驱动化学反应的力催化材料。作为概念验证，韧性 DN 水凝胶可用于开发基于机械化学的代谢类活性材料。这些新材料可以通过在机械加载过程中提供特定单体来实现自加固、自生长或形态发生等功能。要开发这种自适应材料--其结构在负载作用下会反复破坏和重建--所面临的挑战包括清除被破坏的残余物和保持 DN 的内部断裂特性，这对于多次负载循环后的材料再生至关重要。对于前者，使用可逆的化学反应途径可能是一种解决方案，而对于后者，从根本上了解内部破坏和重构的机制则是关键所在。要探索这一新的软材料领域，需要在断裂力学、聚合物物理学和聚合物化学方面开展跨学科研究。
了解更多
关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯
