《AFM》華工施雪濤/中大楊純臻/廣工高粱,具有捲曲結構的仿生應變强化水凝膠

合成水凝膠是獨特的組織類比物,但很少重現天然組織的應變硬化特性。這種機械失配損害了水凝膠在實際應用中的效能。受膠原組織捲曲結構的啟發,廣東工業大學高粱副教授/中山大學資料學院楊純臻副教授/華南理工大學施雪濤教授團隊共同開發了一系列由彎曲平行纖維組成的應變硬化水凝膠。

【摘要】

合成水凝膠是獨特的組織類比物,但很少重現天然組織的應變硬化特性。這種機械失配損害了水凝膠在實際應用中的效能。受膠原組織捲曲結構的啟發,廣東工業大學高粱副教授/中山大學資料學院楊純臻副教授/華南理工大學施雪濤教授團隊共同開發了一系列由彎曲平行纖維組成的應變硬化水凝膠。

這些纖維由一束由短的烷基側鏈改性聚合物鏈組成的交織納米纖絲構成。這種分層組織能够實現精細的級聯變形,促進軟到硬和回彈到粘彈性的轉變,從而協同類比天然組織的應變自我調整硬化和阻尼行為。結合結構演化和本構模型,合理調整彎曲纖維的曲折度和柔韌性會產生應變硬化特性和前所未有的對多個組織區域的滲透的多樣化組合。捲曲結構和由此產生的硬化特性構成了對用於膠原組織修復的基於納米纖維的支架的重大改進。相關論文以題為Biomimetic Strain-Stiffening Hydrogel with Crimped Structure發表在《Advanced Functional Materials》上。

【主圖導讀】

圖1用於組織樣應變自我調整硬化的水凝膠的仿生設計。

圖2通過重塑非結構化水凝膠製備組織類比水凝膠。

圖3SRC-4-20的應變自我調整力學。

圖4SRC-4-20多尺度結構的演變。

圖5平行捲曲纖維的粘彈性模型。a)用於擬合SRC-n-t水凝膠拉伸行為的半結構模型。b)模型應用於測試結果。使用本構模型得到的拉伸曲線用實線表示,物理試驗結果用虛線表示。沒有模型的緩衝器組件,計算曲線(黑色虛線)與實驗數據(黑色實線)迅速偏離。數值解是通過使用MATLAB獲得的。

圖6在捲曲結構上培養的細胞可以承受外部拉伸。a)在非結構化C8-0.1、SRC-4-20和SRC-7-20上培養大鼠皮膚成纖維細胞。播種48 h後,對樣品進行靜態拉伸拉伸24 h;b)在靜止和拉伸狀態的三組樣品上培養的大鼠皮膚成纖維細胞的活/死染色。箭頭表示納米纖維的排列和外部施加的單軸應變方向。比例尺為250µm。紅點和綠點分別表示死細胞和活細胞。請注意,合併的紅點和綠點可能會顯示為黃色。

【總結】

膠原組織的收縮模型啟發了一種組織類比水凝膠,其具有通過可逆疏水締合交聯的對齊和捲曲纖維結構。通過重塑非結構化的短烷基側鏈改性PVA水凝膠,實現了分層結構。工程化的組織類比水凝膠表現出J形拉伸曲線,在低應變下表現為高彈性資料,在高應變下表現為减震資料。彈性和力阻尼狀態之間的快速轉變是由拉伸過程中多尺度力學的伸縮響應引起的:彎曲的纖維首先通過熵彈性拉直並儲存能量,隨後拉直的纖維的拉伸通過動態解離/重新結合來耗散能量的疏水域。團隊可以利用這種結構-效能關係,通過調節重塑過程輕鬆調節應變硬化參數,包括楊氏模量、應變硬化開始時的臨界拉伸點和應變硬化能力。團隊應變自我調整水凝膠的定制力學、通用加工性和有效生物相容性的成功結合促使我們設想一系列組織類比物作為可植入結構基質或生物組織替代的潜在平臺。

參考文獻:

doi.org/10.1002/adfm.202104139

原文刊載於【高分子材料科學】公眾號

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資料標籤: 拉伸
本文標題: 《AFM》華工施雪濤/中大楊純臻/廣工高粱,具有捲曲結構的仿生應變强化水凝膠
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