《AS》美國密歇根大學(xué)：Ca2?觸發(fā)可時空調(diào)節(jié)韌性的水凝膠平臺

近期，美國密歇根大學(xué)機(jī)械工程系、牙科學(xué)院團(tuán)隊在《Science Advances》發(fā)表研究：“Spatiotemporal toughness modulation in hydrogels through on-demand cross-linking”。研究團(tuán)隊突破傳統(tǒng) tough 水凝膠力學(xué)性能難時空調(diào)控的局限，提出潛伏性離子交聯(lián)策略，開發(fā)出可時空調(diào)節(jié)韌性的水凝膠平臺。該水凝膠以海藻酸鹽/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)為基體，嵌入碳酸鈣（CaCO?）微粒，通過直接墨水書寫實現(xiàn) CaCO? 空間圖案化，借葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯（GDL）按需釋放 Ca2? 觸發(fā)離子交聯(lián)。其剛度、韌性可按需調(diào)節(jié)，能制備具定制力學(xué)特性的 3D 水凝膠，界面韌性達(dá) 300 J/m2，還可用于各向異性沖擊防護(hù)、定向應(yīng)變傳感，為多功能軟材料提供新方案。

摘要

堅韌水凝膠由于其優(yōu)異的彈性和生物相容性而在軟機(jī)器人、生物電子學(xué)和組織粘合劑方面具有很好的應(yīng)用前景，但其力學(xué)性能的精確時空控制仍然具有挑戰(zhàn)性。在這里，我們提出了一種水凝膠平臺，通過潛在的離子交聯(lián)機(jī)制實現(xiàn)韌性的時空調(diào)節(jié)。通過將碳酸鈣（CaCO 3）微粒嵌入藻酸鹽/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)水凝膠中，我們創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，局部鈣釋放和離子交聯(lián)可以在空間和時間上進(jìn)行編程。空間控制通過直接墨水書寫CaCO 3實現(xiàn)，而時間激活由α-δ-內(nèi)酯觸發(fā)，α-δ-內(nèi)酯是一種生物相容性酸化劑，可按需釋放鈣。這種策略允許用戶自定義調(diào)整剛度和韌性，由此產(chǎn)生的材料為各向異性沖擊屏蔽、定向應(yīng)變傳感和3D打印組織粘合劑提供了多功能平臺，代表了自適應(yīng)、可重構(gòu)和多功能軟材料的范式轉(zhuǎn)變。

圖解

圖1:（A）順序交聯(lián)過程的示意圖。首先聚合含有藻酸鹽、丙烯酰胺（AAm）和分散的CaCO 3納米顆粒/微米顆粒（NP/MP）的前體溶液以形成共價交聯(lián)的PAAm初級網(wǎng)絡(luò)。在隨后的GDL處理后，Ca 2+從CaCO 3中釋放，離子交聯(lián)藻酸鹽以形成次級網(wǎng)絡(luò)。（B）具有或不具有GDL的負(fù)載CaCO 3的藻酸鹽溶液的宏觀凝膠化。在不存在GDL的情況下（頂行），溶液分散并在6分鐘后保持未交聯(lián)。相反，由于鈣介導(dǎo)的交聯(lián)，GDL觸發(fā)可見的凝膠化（C）常規(guī)CaSO 4交聯(lián)的DN水凝膠（左）和負(fù)載CaCO 3的DN水凝膠在GDL處理之前和之后的SEM圖像CaCO 3顆粒在酸化之前是可見的（黃色箭頭），并且在GDL處理之后消失。(D)負(fù)載CaCO 3的DN水凝膠在初始狀態(tài)（時間= 0）和在去離子水中孵育1天后（有或沒有GDL處理）的照片。沒有GDL，凝膠膨脹和軟化。有GDL，凝膠變得更加透明并抵抗變形。比例尺，10 mm [（B）和（D）]

圖2：CaCO 3-GDL介導(dǎo)的交聯(lián)調(diào)節(jié)水凝膠的剛度、韌性和拉伸性。（A）用或不用GDL處理的負(fù)載CaCO 3的DN水凝膠的代表性應(yīng)力-拉伸曲線。插圖顯示拉伸下的GDL處理的水凝膠。（B至D）剛度（B）、韌性（C）、以及在固定CaCO 3含量（1%）下作為GDL濃度（0至1%）的函數(shù)的拉伸性（D）。（E至G）剛度（E），韌性（F），和水凝膠的拉伸性（G）作為CaCO 3含量的函數(shù)（0.5 - 3%）固定GDL處理（H）連續(xù)GDL處理下的時間依賴性機(jī)械性能。GDL濃度的逐步增加（情況1至情況3）實現(xiàn)可編程的加強(qiáng);隨后的EGTA處理逆轉(zhuǎn)了情況3中的剛度。（I）CaCl 2浸泡的水凝膠和CaCO 3-GDL基水凝膠中離子交聯(lián)的示意性比較。CaCl 2從外部擴(kuò)散，導(dǎo)致表面偏向的交聯(lián)。CaCO 3在酸暴露時能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的內(nèi)部交聯(lián)。（J）通過壓痕測試的機(jī)械均勻性的空間映射。CaCl 2-cross-在[（B）至（D）和（E）至（G）]中，使用普通的單因素ANOVA和事后Tukey多重比較; ns（不顯著），*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，和 ****P < 0.0001。所有數(shù)據(jù)均顯示為平均值± SD。

圖3：通過基于擠出的3D印刷和按需增強(qiáng)來制造空間可編程的堅韌水凝膠。（A）印刷和交聯(lián)過程的示意性概述。將包含AAm、藻酸鹽、CaCO 3顆粒、丙烯酰胺交聯(lián)劑和UV固化以形成初級共價網(wǎng)絡(luò)，隨后施加GDL以通過釋放Ca < SUP > 2 +引發(fā)離子交聯(lián)。顯示UV固化后水凝膠形狀保持性的手寫演示。（C）使用標(biāo)準(zhǔn)擠出印刷機(jī)3D印刷柵格圖案。（D）印刷柵格結(jié)構(gòu)在GDL處理前后的照片。盡管為了視覺清晰度而印刷成多種顏色，但所用的所有油墨在組成上是相同的。（E）印刷柵格在增強(qiáng)后的拉伸和回復(fù)行為，（F和G）印刷復(fù)雜結(jié)構(gòu)[例如，平面三角形晶格（F）和多材料層狀晶格（G）]，以及它們在GDL處理后增強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和形狀恢復(fù)。（H和I）另外的高分辨率印刷幾何形狀，包括花瓶（H）和棱錐（I，左）。用和不用GDL處理的錐體結(jié)構(gòu)的循環(huán)壓縮測試（I，右）。（J）經(jīng)過五個循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)化高度。比例尺，10毫米[（B）、（D）、（F）、和（G）]、1毫米（H）、和5毫米（I）。

圖4：空間圖案化的機(jī)械各向異性提供了保護(hù)和界面功能。（A）含CaCO 3和不含CaCO 3區(qū)域之間界面處剛度的空間映射。（B）具有正交圖案化的含CaCO 3（硬）和不含CaCO 3（軟）區(qū)域的水凝膠構(gòu)建體的照片。在手動變形下，方向相關(guān)的機(jī)械行為是明顯的。（C）沿沿著正交方向的單軸拉伸力-拉伸曲線。（D和E）對具有各種層配置的水凝膠護(hù)罩進(jìn)行沖擊的FEA模擬。軟硬排列最有效地重新分布沖擊應(yīng)力。（F和G）使用不同水凝膠組合保護(hù)的脆性小吃進(jìn)行實驗驗證。在軟硬組合中，斷裂沖擊最大化。（H至J）使用水凝膠包裹的生雞蛋的跌落測試證實了沖擊保護(hù)。包裹在軟-硬水凝膠護(hù)罩中的雞蛋在25 cm跌落后保持完整，而對照在沖擊時斷裂。（K）界面機(jī)械鎖定的證明。未處理的水凝膠（軟）在張力下滑動，而GDL處理的水凝膠（軟）在張力下滑動。比例尺，10 mm [（F）、（H）和（K）]。在（G）中，使用具有事后Tukey多重比較的普通單因素ANOVA; ns（不顯著），*P < 0.05，**P < 0.01，和 ****P < 0.0001。所有數(shù)據(jù)均以平均值± SD顯示。

圖5：機(jī)械可編程的水凝膠電極保持導(dǎo)電性并實現(xiàn)定向應(yīng)變感測。（A）顯示GDL處理之前（頂部）和之后（底部）水凝膠電極的機(jī)械變形的照片。（B）制備和GDL處理的水凝膠電極的剛度和（C）電導(dǎo)率。（D）作為應(yīng)變的函數(shù)的相對電阻變化（ΔR/R）。響應(yīng)于（E）的相對電阻變化逐步拉伸至200%，和（F）循環(huán)加載測試超過100次。（G）具有GDL處理和未處理區(qū)域的各向異性水凝膠電極的示意圖，其能夠進(jìn)行定向應(yīng)變感測。（H和I）當(dāng)沿沿著軟（H）或硬（I）軸拉伸時的定向感測性能。在[（B）和（C）]中，使用非配對Student t檢驗; ns（不顯著）和 *P < 0.0001。所有數(shù)據(jù)顯示為平均值± SD。

圖6：水凝膠能夠應(yīng)用于水凝膠-水凝膠和水凝膠-組織粘附。（A）示意圖，說明了水凝膠通過殼聚糖介導(dǎo)的界面結(jié)合與其他水凝膠或生物組織粘附的機(jī)制。（B）3D打印的水凝膠片之間的強(qiáng)結(jié)合。（C）3D打印的水凝膠與殼聚糖結(jié)合，支持500 g載荷而不分層。（D）照片顯示了T-剝離試驗，以評估水凝膠對組織的粘附。（E）水凝膠對皮膚和肌肉的粘附力-位移曲線，有（US+）或沒有（US-）US處理。（F）界面韌性測量顯示顯著增強(qiáng)的粘附力。（G）水凝膠對肌肉組織的粘附力的實例。（H和I）US-能夠?qū)崿F(xiàn)快速和空間受控的水凝膠粘附。（J）干燥的、脫乙酰殼多糖預(yù)處理的水凝膠的強(qiáng)粘附性能。（K和L）3D打印的晶格和多材料層狀水凝膠構(gòu)建體與組織表面的共形附著。比例尺，10 mm [（B），（C），和（G）至（L）]。所有數(shù)據(jù)顯示為平均值± SD。

結(jié)論

在這項工作中呈現(xiàn)的結(jié)果共同證明了我們的水凝膠平臺的多功能性，其能夠獨立地和時空地調(diào)節(jié)機(jī)械性能，同時保持功能性能。在機(jī)械生物學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力來動態(tài)地調(diào)節(jié)水凝膠機(jī)械性能，例如剛度和粘彈性，以更好地模擬活組織的演變的物理環(huán)境，然而，這些研究主要集中在用于細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用的水凝膠上，具有相對有限的機(jī)械變化范圍，并且凝膠本身通常是易碎的和機(jī)械薄弱的。相比之下，軟材料力學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了用于堅韌水凝膠的廣泛配方，盡管大多數(shù)努力都集中在提高初始韌性而不是實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)性上。直到最近才出現(xiàn)了在堅韌水凝膠中實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)力學(xué)的策略。這些策略包括機(jī)械自由基聚合通過在變形過程中用于自增強(qiáng)的鍵斷裂觸發(fā)，用于機(jī)械自適應(yīng)增強(qiáng)的循環(huán)載荷誘導(dǎo)的聚合物生長，用于可逆增韌而無損傷的滑環(huán)凝膠中的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶，和力觸發(fā)的共價反應(yīng)，其在負(fù)載下延伸聚合物鏈，這些策略中的大多數(shù)已經(jīng)在涉及共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組合的系統(tǒng)中得到證實，盡管單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在某些情況下也顯示出希望。