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中科院福建物構(gòu)所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：基于有序纖維結(jié)構(gòu)水凝膠的人工韌帶
2023-01-14  來(lái)源：高分子科技

  骨骼和關(guān)節(jié)在許多生物體中起著支撐和連接的作用。附著在骨骼上的韌帶、肌腱和其他結(jié)締組織負(fù)責(zé)人體的大部分活動(dòng)。此外，這些軟組織必須承受自身重量的數(shù)千倍，同時(shí)在數(shù)百萬(wàn)次機(jī)械負(fù)載循環(huán)中保持高韌性 (~1000 J m-2)。在一些情況下，由于長(zhǎng)期操作和受傷，韌帶可能會(huì)斷裂或損壞，嚴(yán)重影響人體的健康和活動(dòng)。因此，迫切需要能夠適配人體組織的仿生材料，以用于組織修復(fù)。在眾多潛在替代品中，水凝膠以其含水量高、質(zhì)地柔軟、與人體相容性好等特點(diǎn)脫穎而出。但是，絕大部分的水凝膠缺乏穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗疲勞和斷裂。與天然承重材料相比，傳統(tǒng)水凝膠交聯(lián)松散、各向同性和均質(zhì)，因此在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)脆弱。它們的拉伸強(qiáng)度通常低于1 MPa，容易斷裂。


  為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單的綜合策略，通過(guò)結(jié)合冷凍鑄造輔助壓縮退火和鹽析處理來(lái)制備可用于人造韌帶的各向異性分層水凝膠結(jié)構(gòu)。在該策略中，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)采用納米填料復(fù)合增強(qiáng)基質(zhì)以輔助定向冷凍，分子工程設(shè)計(jì)采用熱壓退火輔助離子鹽析。PVA/CNT定向纖維通過(guò)定向冷凍澆鑄形成。CNT網(wǎng)絡(luò)為水凝膠提供了導(dǎo)電能力和應(yīng)變敏感性。進(jìn)行壓縮退火方法以增加PVA的晶疇，使得纖維之間的間隙減小，導(dǎo)致纖維排列緊密。隨后，結(jié)合霍夫邁斯特效應(yīng)，將樣品浸入鹽溶液中，進(jìn)一步增強(qiáng)PVA的聚集狀態(tài)。制備的聚乙烯醇水凝膠的含水量高達(dá)79.5 wt.%，同時(shí)具備高達(dá)4.5 MPa的抗拉強(qiáng)度和1467J m-2的疲勞閾值，以及出色的應(yīng)力敏感性。人造韌帶因其優(yōu)異的耐用性為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新的解決方案。 


圖1基于有序纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌人造韌帶 


圖2人造韌帶的力學(xué)性能和抗疲勞性 


圖3人造韌帶的應(yīng)變響應(yīng)特性及傳感器應(yīng)用
 

圖4 人工韌帶仿生實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞毒性試驗(yàn)

  該工作以“Tough hydrogel with high water content and ordered fibrous structures as artificial human ligament”為題發(fā)表在《Material Horizon》上。文章第一作者是福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士韓松久。通訊作者為中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所黃建仁博士和官輪輝研究員。


  該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。福建電子口岸股份有限公司劉鍵濤博士、福州大學(xué)測(cè)試中心蘇抒博士，福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對(duì)該研究提供了幫助和指導(dǎo)。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH01299E

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