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中科院福建物構所官輪輝研究員團隊《Mater. Horiz.》:基于有序纖維結構水凝膠的人工韌帶
2023-01-14  來源:高分子科技

  骨骼和關節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、肌腱和其他結締組織負責人體的大部分活動。此外,這些軟組織必須承受自身重量的數千倍,同時在數百萬次機械負載循環中保持高韌性 (~1000 J m-2)。在一些情況下,由于長期操作和受傷,韌帶可能會斷裂或損壞,嚴重影響人體的健康和活動。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。在眾多潛在替代品中,水凝膠以其含水量高、質地柔軟、與人體相容性好等特點脫穎而出。但是,絕大部分的水凝膠缺乏穩定的結構來抵抗疲勞和斷裂。與天然承重材料相比,傳統水凝膠交聯松散、各向同性和均質,因此在實際應用中相對脆弱。它們的拉伸強度通常低于1 MPa,容易斷裂。


  為了應對這一挑戰,中國科學院福建物質結構研究所官輪輝研究員團隊提出了一種簡單的綜合策略,通過結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構。在該策略中,結構工程設計采用納米填料復合增強基質以輔助定向冷凍,分子工程設計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網絡為水凝膠提供了導電能力和應變敏感性。進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,導致纖維排列緊密。隨后,結合霍夫邁斯特效應,將樣品浸入鹽溶液中,進一步增強PVA的聚集狀態。制備的聚乙烯醇水凝膠的含水量高達79.5 wt.%,同時具備高達4.5 MPa的抗拉強度和1467J m-2的疲勞閾值,以及出色的應力敏感性。人造韌帶因其優異的耐用性為生物醫學應用提供了新的解決方案。 


圖1基于有序纖維結構的強韌人造韌帶 


圖2人造韌帶的力學性能和抗疲勞性 


圖3人造韌帶的應變響應特性及傳感器應用
 

圖4 人工韌帶仿生實驗及細胞毒性試驗

  該工作以“Tough hydrogel with high water content and ordered fibrous structures as artificial human ligament”為題發表在《Material Horizon》上。文章第一作者是福州大學機械學院-中科院福建物構所聯合培養博士韓松久通訊作者為中國科學院福建物質結構研究所黃建仁博士和官輪輝研究員。


  該工作得到國家自然科學基金的資助。福建電子口岸股份有限公司劉鍵濤博士、福州大學測試中心蘇抒博士,福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導。


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

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