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  近期，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉文廣教授課題組在著名高分子材料綜述類期刊《Progress in Polymer Science》(IF=27.184)上發(fā)表了題為“Bioinspired fabrication of high strength hydrogels from non-covalent interactions”的綜述文章，論文共同第一作者為王瑋副教授和張銀宇博士生。該文概述了基于非共價鍵增強(qiáng)構(gòu)建高強(qiáng)度水凝膠的最新進(jìn)展，重點(diǎn)凝練了劉文廣教授近十年來在高強(qiáng)度水凝膠工作的研究成果，總結(jié)了非共價鍵作用對提高水凝膠的強(qiáng)度及其水環(huán)境穩(wěn)定的重要性，并按照非共價鍵作用類型對凝膠的增強(qiáng)機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的解釋與闡述，最后對高強(qiáng)度水凝膠未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了歸納與展望。

  經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，生物體為適應(yīng)環(huán)境優(yōu)化選擇形成了許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能。例如，水母和海葵的含水量雖然在90%以上，但它們的類水凝膠軀體仍具有良好的力學(xué)強(qiáng)度并且可以對環(huán)境的改變快速響應(yīng)。同樣，人體很多承載的軟支撐組織（如肌腱，韌帶，半月板和軟骨）也是由水凝膠材質(zhì)構(gòu)成，并具良好的韌性和抗壓性能。最新研究發(fā)現(xiàn)，分子間或分子內(nèi)的非共價鍵作用驅(qū)動形成的介觀或微觀尺度的疏水聚集微區(qū)，不僅能夠抑制這些類凝膠組織在水環(huán)境中過度溶脹，同時賦予這些水凝膠組織高強(qiáng)韌的力學(xué)性能。師法自然，許多課題組將非共價鍵作用引入水凝膠體系，使其具有高強(qiáng)、高韌、高彈、形狀記憶，甚至可塑性等性能。

  根據(jù)非共價鍵作用類型大體上可分為五類，疏水相互作用（hydrophobic interaction），氫鍵作用（H-bonding interaction），離子絡(luò)合交聯(lián)作用（ionic coordination），偶極相互作用（dipole-dipole interaction）和靜電相互作用（electrostatic interaction）。雖然非共價鍵作用的鍵能遠(yuǎn)小于共價鍵作用，但是在聚合物中多重非共價鍵的協(xié)同作用可形成穩(wěn)定可逆的物理交聯(lián)。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)承載時，物理交聯(lián)作用首先發(fā)生斷裂，為其網(wǎng)絡(luò)耗散機(jī)械能，從而保護(hù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)的完整性并使其具有良好的力學(xué)承載性。得益于非共價鍵交聯(lián)聚集微區(qū)的疏水性，這些化學(xué)交聯(lián)的高強(qiáng)度水凝膠在水中能保持一定的含水量而不會過度溶脹，這使得凝膠在作用生物組織替代物上具有了很好的應(yīng)用前景。

共價鍵-偶極/氫鍵協(xié)同作用的水凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中，偶極/氫鍵作用先于共價鍵斷裂，耗散能量 (劉文廣課題組. Adv Funct Mater 2015; 25: 471-80 )

  利用這些非共價鍵的可逆性和對環(huán)境的刺激響應(yīng)性，可以設(shè)計(jì)出各類刺激響應(yīng)性的形狀記憶水凝膠。由于刺激條件溫和，形狀記憶水凝膠可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

偶極增強(qiáng)離子驅(qū)動的形狀記憶水凝膠用于探索微重力對于干細(xì)胞分化的影響 （劉文廣課題組. Sci Rep 2014; 4: 5815）

  基于氫鍵單體2-乙烯基-4, 6-二氨基-1,3, 5-三嗪（VDT）增強(qiáng)的凝膠，也被用于可逆的細(xì)胞脫附，基于礦化的偶極增強(qiáng)凝膠能夠促進(jìn)大鼠的頭蓋骨修復(fù) (劉文廣課題組. Adv. Funct. Mater. 2017, 1604327)。

VDT氫鍵增強(qiáng)水凝膠在細(xì)胞反向轉(zhuǎn)染及無損脫附中的應(yīng)用 (劉文廣課題組. Adv Mater 2010; 22: 2652-6.)

  基于側(cè)鏈雙酰胺氫鍵非共價交聯(lián)形成的超分子聚合物水凝膠其交聯(lián)點(diǎn)在適當(dāng)條件下可以實(shí)現(xiàn)解離-重構(gòu)，賦予凝膠自修復(fù)性能。

氫鍵組裝超分子聚合物水凝膠具有高強(qiáng)、高韌、易加工、自修復(fù)的特點(diǎn) (劉文廣課題組. Adv Mater 2015; 27: 3566-71)

  綜上，非共價鍵作用可以在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成介觀或者微觀的疏水微區(qū)增強(qiáng)并穩(wěn)定水凝膠網(wǎng)絡(luò)，通過合理設(shè)計(jì)可以構(gòu)建具有形狀記憶、自修復(fù)、易加工等性能的水凝膠體系。劉文廣教授表示，高強(qiáng)度水凝膠的研究還處于初級階段，水凝膠的生物相容性和大規(guī)模生產(chǎn)成為其走向商業(yè)應(yīng)用的瓶頸。在層出不窮的高強(qiáng)高韌水凝膠中，鮮有水凝膠能達(dá)到肌腱等軟組織需求的強(qiáng)度，完美的組織替代水凝膠仍需進(jìn)一步探索；接下來的工作應(yīng)主要集中于探索如何拓寬高強(qiáng)度水凝膠的應(yīng)用范圍。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670017300047