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  力學(xué)性能的優(yōu)劣是決定水凝膠應(yīng)用的關(guān)鍵因素。自2003年以來，研究人員相繼采用雙網(wǎng)絡(luò)等策略實(shí)現(xiàn)了水凝膠的高模量、高強(qiáng)度及高斷裂韌性。近年來，人們發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度水凝膠的疲勞性能較差，難以媲美生物組織，制約著其進(jìn)一步發(fā)展。因此，抗疲勞水凝膠的研究成為領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

  近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授與美國哈佛大學(xué)鎖志剛院士等人模擬生物心臟瓣膜的軟硬相異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使用數(shù)字光固化打印技術(shù)（Digital Light Processing, DLP）制備了兩相復(fù)合水凝膠，同步實(shí)現(xiàn)了水凝膠材料的復(fù)雜形狀和高疲勞門檻值。研究成果以Fabricating hydrogels to mimic biological tissues of complex shapes and high fatigue resistance為題發(fā)表在Cell 姊妹刊《Matter》上。

  生物組織（心臟瓣膜、肌腱、聲帶等）往往具有復(fù)雜的形狀和良好的抗疲勞性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)特定的生物功能，例如心臟瓣膜在人的一生中平均需開合~10億次，而不發(fā)生破壞。解剖學(xué)顯示心臟瓣膜具有高度各向異性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由細(xì)胞外基質(zhì)及膠原蛋白纖維（collagen）、彈力蛋白纖維組成，是典型的纖維-基體復(fù)合材料（圖1）；并且基體和纖維均含有大量水分，屬于天然水凝膠材料。瓣膜的復(fù)雜形狀保證了其血流調(diào)節(jié)功能，而纖維基體復(fù)合結(jié)構(gòu)保證了其良好的抗疲勞性能。水凝膠具有與生物組織相似的組分，由大量的水份(30-80 wt %)和柔性聚合物網(wǎng)絡(luò)組成�？茖W(xué)家們一直致力于以水凝膠模擬生物組織，希望將其用于組織修復(fù)、再生醫(yī)學(xué)及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域，然而目前合成的水凝膠疲勞性能較差，極大地限制了其應(yīng)用空間。

圖1. 心臟瓣膜結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合水凝膠的制備

  研究人員設(shè)計(jì)了具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和高疲勞門檻值。復(fù)合水凝膠由硬骨架和軟基體組成（圖2 B），兩種組分都是可拉伸水凝膠材料，具有顯著的模量差異，在界面上形成較強(qiáng)的拓?fù)湔辰樱▓D2 C）。制備過程如下：首先采用DLP打印技術(shù)，以高引發(fā)效率的改性TPO引發(fā)劑打印復(fù)雜形狀的水凝膠骨架（圖2 D）；然后將骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化，使其具有較高的模量（圖2 E），且保證在下一步注模過程中不產(chǎn)生明顯溶脹；最后將其置于模具中與基體材料進(jìn)行復(fù)合（圖2F）。

圖2. 抗疲勞復(fù)合水凝膠的制備過程

  研究人員采用常見的材料體系展示了抗疲勞復(fù)合水凝膠的設(shè)計(jì)策略。以Fe3+交聯(lián)的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸（PAAm-PAA）水凝膠作為硬骨架水凝膠（模量~1 MPa，圖3A-F）， 以PAAm水凝膠作為軟基體水凝膠（模量~0.01-0.1 MPa），制備了不同圖案的復(fù)合水凝膠（圖3G-I）。這種設(shè)計(jì)策略適用于各種不同的材料體系，研究人員分別采用了PNIPAm、PHEMA、明膠以及PAAm-Alginate等水凝膠體系。

圖3. 打印的硬骨架水凝膠及復(fù)合水凝膠

力學(xué)性能測(cè)試

  研究人員測(cè)量了復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能。硬骨架水凝膠和軟基體水凝膠模量可相差20倍以上，共聚焦顯微鏡照片及剝離實(shí)驗(yàn)顯示兩者產(chǎn)生了良好的粘接（圖4A-C）。硬骨架纖維能夠明顯阻礙裂紋擴(kuò)展（圖4D, E），提高復(fù)合水凝膠的斷裂韌性：對(duì)于軟基體水凝膠，其斷裂韌性僅為186±41 J/m²；硬骨架水凝膠斷裂韌性為710±19 J/m²，而復(fù)合水凝膠則高達(dá)4599±545 J/m²（圖4F）。循環(huán)試驗(yàn)顯示，當(dāng)能量釋放率G>948 J/m²時(shí)，復(fù)合水凝膠中裂紋發(fā)生擴(kuò)展；而能量釋放率G＜441 J/m²時(shí)裂紋不會(huì)擴(kuò)展，該值被視為復(fù)合水凝膠的疲勞門檻值（圖4G-I）。

圖4. 力學(xué)性能測(cè)試

復(fù)合水凝膠心臟瓣膜

  研究人員進(jìn)一步利用醫(yī)學(xué)CT影像制作具有心臟瓣膜形狀的復(fù)合水凝膠。首先對(duì)影像掃描結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)（圖5A），得到相應(yīng)的三維模型。然后使用DLP打印出水凝膠瓣膜，包括基體水凝膠瓣膜（圖5B）、瓣膜骨架（圖5C）以及復(fù)合水凝膠瓣膜（圖5D）。設(shè)計(jì)了模擬血液循環(huán)的水流循環(huán)體外測(cè)試系統(tǒng)(圖5E)，在水流連續(xù)流動(dòng)試驗(yàn)中，均質(zhì)水凝膠經(jīng)過560次循環(huán)后即在邊緣處發(fā)生破壞（視頻1，21秒，均質(zhì)水凝膠瓣膜），而復(fù)合水凝膠經(jīng)過10000次循環(huán)后仍然保持完整(圖5F)（視頻2，15秒，復(fù)合水凝膠瓣膜），圖5G為水凝膠瓣膜前后壓降在循環(huán)水流作用下的情況。均質(zhì)水凝膠疲勞壽命短，失效時(shí)瓣膜前后壓差急劇下降；而復(fù)合水凝膠瓣膜前后壓差在50000次循環(huán)中仍保持相對(duì)穩(wěn)定，展示出優(yōu)異的抗疲勞性能。

圖5. 使用心臟瓣膜醫(yī)學(xué)影像制作的復(fù)合水凝膠

  研究人員基于醫(yī)學(xué)影像，利用數(shù)字光固化打印技術(shù)制作了具有心臟瓣膜形狀的抗疲勞復(fù)合水凝膠，保證高拉伸性的同時(shí)具有良好的抗疲勞性質(zhì)，在體外模擬實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出類似瓣膜維持液體持續(xù)單向流動(dòng)的功能。該研究解決了水凝膠材料長期存在的困難，為其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了廣闊的前景。研究人員期望未來能制作出同時(shí)滿足力學(xué)性能及生物相容性要求的心臟瓣膜。

  論文第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院畢業(yè)碩士生楊航（現(xiàn)為哈佛大學(xué)在讀博士）、共同第一作者姬夢(mèng)柯，通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和哈佛大學(xué)鎖志剛教授，佐治亞理工學(xué)院齊航教授為論文共同作者。

  上述研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目、青年項(xiàng)目等的資助。由西京醫(yī)院楊劍教授提供CT影像，西安馬克醫(yī)療科技有限公司提供水流循環(huán)體外測(cè)試系統(tǒng)，蘇州茵絡(luò)醫(yī)療器械有限公司及蘇州凝智新材料發(fā)展有限公司提供技術(shù)支持。

  論文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1cpj39CyxcxOJT

作者簡(jiǎn)介：

  唐敬達(dá)，西安交通大學(xué)副教授，北京大學(xué)與哈佛大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士（導(dǎo)師為方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進(jìn)入西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院工作，在軟物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域開展研究。發(fā)表論文20余篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表在J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。