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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，通過結(jié)合冷凍鑄造輔助壓縮退火和鹽析處理來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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