奇葩操作|加拿大阿尔伯塔曾宏波院士《材料化学》似生物组织可自我保护的动态柔性水凝胶奇葩操作

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来源：【高分子材料科学】微信公众号
【前沿背景】
生物组织可以优雅地采用不同的自我保护策略，以响应外部机械应力引起的变形来维持其结构完整性和生物学功能。例如，微管，肌动蛋白，胶原蛋白和中间细丝的生物组件可以在被拉到骨折之前变硬（即，随着所施加的应变或应力的增加，它们的刚度也会增加）。应变增强能力不仅限制了生物组织。从变形起，但在各种生物过程中也起着重要作用，例如细胞分化和长距离细胞间通信。在生物工程应用中，赋予合成软材料以这种应变增强能力对于模拟动态机械环境进行破译至关重要。细胞行为和制造人造组织（例如，肌肉，皮肤，血管等），植入式执行器和软机器人。当前的应变增强材料的设计策略主要依赖于使用具有螺旋结构的半柔性聚异氰肽（PIC）束或通过胶凝剂分子的自组装制备的半柔性纤维，其具有固有的应变增强特性。但是，复杂的准备方法和数量有限的候选人限制了他们的应用。考虑到合成聚合物的各种合成途径和可调功能，非常需要使用柔性合成聚合物来开发用于模仿生物组织的新型功能性水凝胶。然而，在合成的柔性水凝胶中很少观察到应变强化行为，相反，当变形时，它们通常趋于软化。
【科研摘要】
生物组织在受到拉伤或损坏时能够变硬和自愈，以保持其完整性和功能性。然而，在生物相容性柔性水凝胶中模仿生物组织的应变增强和自我修复功能仍然是一个挑战。最近，加拿大阿尔伯塔大学Ravin Narain和曾宏波院士报告了一种由两种生物相容性聚合物构成的柔性水凝胶，可以巧妙地采用生物应变强化或自我修复策略来响应机械变形来维持结构完整性和功能性。水凝胶在应变时可以可逆地反复硬化至其原始模量的八倍，而不会出现机械滞后现象。此外，受损的水凝胶可在几秒钟内反复自愈，并充分保留了应变增强能力。此外，得益于出色的生物相容性和动态特性，仿生水凝胶可轻松应用于3D细胞封装。这项工作提供了对类似组织的自我保护性软材料的分子设计的新颖见解，这也可能会激发仿生细胞培养基质，人造组织以及用于各种生物医学和工程应用的软体机器人技术的发展。
【图文解析】
1.凝胶机理
作者报道的是一种由两种柔性线性聚合物制备的应变增强自修复水凝胶，两者均具有出色的生物相容性（示意图1）。在生理条件下，水凝胶是通过二苯基硼酸封端的远螯聚乙二醇(DPB-PEG)的硼酸与糖聚合物{poly(acrylamide-co-2-lactobionamidoethyl methacrylamide) [P(AM-co-LAMEA)
的12-/13-二醇之间的缩合反应而交联的。所制备的水凝胶表现出显着的仿生应变强化行为，可以通过交联密度，聚合物浓度，温度和交联剂的长度轻松地对其进行调节。阐明了潜在的应变加强机制，即PEG的非线性拉伸和有限可扩展性，这为具有可调机械响应的功能性水凝胶的分子设计提供了新的见解。此外，由于动态的硼酸酯交联化学作用，受损的水凝胶可在几秒钟内重复自愈，而不会牺牲应变增强能力。出色的仿生特性以及出色的生物相容性使水凝胶成为3D细胞封装的理想平台。
示意图1.使用DPB-PEG和P(AM-co-LAEMA)制备生物相容性柔性水凝胶网络及其对机械变形的仿生应变刚度和自愈功能。
2.硼酸/糖摩尔比的依赖性
水凝胶的聚合物浓度固定为10 w/v％时，研究了不同的硼酸/糖比对BL4k网络力学的影响。所有样品均显示出清晰的线性和非线性机械响应机制，其中可以通过改变硼酸和糖基之间的摩尔比轻松调节G0和σc（图1a）。随着硼酸/糖的摩尔比从1：0.5增加到1：4 ， G0从32 Pa显着增加到405 Pa（图1b）。 G0的增加可以归因于网络的更高的交联密度，因为随着糖基团数量的增加可以形成更多的硼酸酯。因此，随着水凝胶硬度的增加， σc也从16 Pa增加到209 Pa（图1b）。对归一化应力（σ/σc）绘制归一化微分模量（K'/G0）表明，硬化指数m随硼酸/糖的摩尔比不同而变化（图1c）。当硼酸/糖的摩尔比从1：0.5增加到1：4时， m从0.62降低到0.37（图1d）。