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  力學性能的優劣是決定水凝膠應用的關鍵因素。自2003年以來，研究人員相繼采用雙網絡等策略實現了水凝膠的高模量、高強度及高斷裂韌性。近年來，人們發現高強度水凝膠的疲勞性能較差，難以媲美生物組織，制約著其進一步發展。因此，抗疲勞水凝膠的研究成為領域內關注的焦點。

  近日，西安交通大學唐敬達副教授與美國哈佛大學鎖志剛院士等人模擬生物心臟瓣膜的軟硬相異質結構，使用數字光固化打印技術（Digital Light Processing, DLP）制備了兩相復合水凝膠，同步實現了水凝膠材料的復雜形狀和高疲勞門檻值。研究成果以Fabricating hydrogels to mimic biological tissues of complex shapes and high fatigue resistance為題發表在Cell 姊妹刊《Matter》上。

  生物組織（心臟瓣膜、肌腱、聲帶等）往往具有復雜的形狀和良好的抗疲勞性質，以實現特定的生物功能，例如心臟瓣膜在人的一生中平均需開合~10億次，而不發生破壞。解剖學顯示心臟瓣膜具有高度各向異性的復雜結構，由細胞外基質及膠原蛋白纖維（collagen）、彈力蛋白纖維組成，是典型的纖維-基體復合材料（圖1）；并且基體和纖維均含有大量水分，屬于天然水凝膠材料。瓣膜的復雜形狀保證了其血流調節功能，而纖維基體復合結構保證了其良好的抗疲勞性能。水凝膠具有與生物組織相似的組分，由大量的水份(30-80 wt %)和柔性聚合物網絡組成。科學家們一直致力于以水凝膠模擬生物組織，希望將其用于組織修復、再生醫學及軟體機器人等領域，然而目前合成的水凝膠疲勞性能較差，極大地限制了其應用空間。

圖1. 心臟瓣膜結構示意圖

復合水凝膠的制備

  研究人員設計了具有異質結構的復合水凝膠來實現復雜形狀和高疲勞門檻值。復合水凝膠由硬骨架和軟基體組成（圖2 B），兩種組分都是可拉伸水凝膠材料，具有顯著的模量差異，在界面上形成較強的拓撲粘接（圖2 C）。制備過程如下：首先采用DLP打印技術，以高引發效率的改性TPO引發劑打印復雜形狀的水凝膠骨架（圖2 D）；然后將骨架結構進行強化，使其具有較高的模量（圖2 E），且保證在下一步注模過程中不產生明顯溶脹；最后將其置于模具中與基體材料進行復合（圖2F）。

圖2. 抗疲勞復合水凝膠的制備過程

  研究人員采用常見的材料體系展示了抗疲勞復合水凝膠的設計策略。以Fe3+交聯的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸（PAAm-PAA）水凝膠作為硬骨架水凝膠（模量~1 MPa，圖3A-F）， 以PAAm水凝膠作為軟基體水凝膠（模量~0.01-0.1 MPa），制備了不同圖案的復合水凝膠（圖3G-I）。這種設計策略適用于各種不同的材料體系，研究人員分別采用了PNIPAm、PHEMA、明膠以及PAAm-Alginate等水凝膠體系。

圖3. 打印的硬骨架水凝膠及復合水凝膠

力學性能測試

  研究人員測量了復合水凝膠的力學性能。硬骨架水凝膠和軟基體水凝膠模量可相差20倍以上，共聚焦顯微鏡照片及剝離實驗顯示兩者產生了良好的粘接（圖4A-C）。硬骨架纖維能夠明顯阻礙裂紋擴展（圖4D, E），提高復合水凝膠的斷裂韌性：對于軟基體水凝膠，其斷裂韌性僅為186±41 J/m²；硬骨架水凝膠斷裂韌性為710±19 J/m²，而復合水凝膠則高達4599±545 J/m²（圖4F）。循環試驗顯示，當能量釋放率G>948 J/m²時，復合水凝膠中裂紋發生擴展；而能量釋放率G＜441 J/m²時裂紋不會擴展，該值被視為復合水凝膠的疲勞門檻值（圖4G-I）。

圖4. 力學性能測試

復合水凝膠心臟瓣膜

  研究人員進一步利用醫學CT影像制作具有心臟瓣膜形狀的復合水凝膠。首先對影像掃描結構進行重構（圖5A），得到相應的三維模型。然后使用DLP打印出水凝膠瓣膜，包括基體水凝膠瓣膜（圖5B）、瓣膜骨架（圖5C）以及復合水凝膠瓣膜（圖5D）。設計了模擬血液循環的水流循環體外測試系統(圖5E)，在水流連續流動試驗中，均質水凝膠經過560次循環后即在邊緣處發生破壞（視頻1，21秒，均質水凝膠瓣膜），而復合水凝膠經過10000次循環后仍然保持完整(圖5F)（視頻2，15秒，復合水凝膠瓣膜），圖5G為水凝膠瓣膜前后壓降在循環水流作用下的情況。均質水凝膠疲勞壽命短，失效時瓣膜前后壓差急劇下降；而復合水凝膠瓣膜前后壓差在50000次循環中仍保持相對穩定，展示出優異的抗疲勞性能。

圖5. 使用心臟瓣膜醫學影像制作的復合水凝膠

  研究人員基于醫學影像，利用數字光固化打印技術制作了具有心臟瓣膜形狀的抗疲勞復合水凝膠，保證高拉伸性的同時具有良好的抗疲勞性質，在體外模擬實驗中表現出類似瓣膜維持液體持續單向流動的功能。該研究解決了水凝膠材料長期存在的困難，為其生物醫學應用提供了廣闊的前景。研究人員期望未來能制作出同時滿足力學性能及生物相容性要求的心臟瓣膜。

  論文第一作者為西安交通大學航天航空學院畢業碩士生楊航（現為哈佛大學在讀博士）、共同第一作者姬夢柯，通訊作者為西安交通大學唐敬達副教授和哈佛大學鎖志剛教授，佐治亞理工學院齊航教授為論文共同作者。

  上述研究得到了國家自然科學基金重點國際（地區）合作研究項目、青年項目等的資助。由西京醫院楊劍教授提供CT影像，西安馬克醫療科技有限公司提供水流循環體外測試系統，蘇州茵絡醫療器械有限公司及蘇州凝智新材料發展有限公司提供技術支持。

  論文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1cpj39CyxcxOJT

作者簡介：

  唐敬達，西安交通大學副教授，北京大學與哈佛大學聯合培養博士（導師為方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進入西安交通大學航天航空學院工作，在軟物質力學領域開展研究。發表論文20余篇，其中以第一/通訊作者發表在J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。