近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院分子醫(yī)學(xué)研究院劉盡堯課題組在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，影響因子25.8），發(fā)表題為“Switching between elasticity and plasticity by network strength competition”的研究論文。研究中，該團(tuán)隊設(shè)計出可以調(diào)控其力學(xué)性能的復(fù)合水凝膠，有望為再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域提供新材料。劉盡堯是該研究論文的通訊作者，第一作者為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院在站博士后明尊振。
據(jù)劉盡堯介紹，人體中存在許多軟組織，比如軟骨、骨骼肌、角膜和血管等。為適應(yīng)復(fù)雜的體內(nèi)生理環(huán)境，這些組織具有層次有序的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出高度各向異性的機(jī)械強(qiáng)度和性能。水凝膠是一類含水量高的三維網(wǎng)狀材料，具有與軟組織類似的結(jié)構(gòu)。通過分子設(shè)計，水凝膠可達(dá)到與軟組織接近的力學(xué)性能以及良好的生物相容性，這使得該類材料在生物醫(yī)藥和組織工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的水凝膠材料，各向異性水凝膠在組織工程應(yīng)用方面具有更大潛力，更能滿足其對材料力學(xué)性能的需求。盡管各向異性水凝膠被廣為報道，但截至目前仍然缺乏有效的方法來調(diào)控其力學(xué)性能，以適應(yīng)復(fù)雜的體內(nèi)生理環(huán)境。
為解決該問題，劉盡堯課題組通過借助水凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度之間的競爭，提出一種調(diào)控水凝膠力學(xué)性能的新機(jī)制。基于該方法，水凝膠材料可在彈性、塑性、各向異性以及溶脹性能方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能實現(xiàn)對所裝載藥物分子的可控釋放。
在本研究中，劉盡堯團(tuán)隊設(shè)計了由兩種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合水凝膠。其中一種為共價交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，能為水凝膠帶來良好的彈性。另一種則為具有剪切變稀屬性的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，能賦予水凝膠優(yōu)異的塑性。通過調(diào)節(jié)兩種網(wǎng)絡(luò)各自的力學(xué)強(qiáng)度，就可以實現(xiàn)水凝膠材料在彈性和塑性之間的轉(zhuǎn)換。比如，當(dāng)共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)強(qiáng)度高于納米纖維網(wǎng)絡(luò)時，該水凝膠表現(xiàn)出良好的彈性。反之，該材料則表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性。在此基礎(chǔ)上，將所得到的塑性水凝膠進(jìn)一步拉伸，可制備具有高強(qiáng)度和高韌性的各向異性水凝膠。在拉伸過程中，由于納米纖維網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行取向排列，使得到的水凝膠材料在平行于纖維的方向具有更高的拉伸和壓縮模量。同時，因為纖維的取向，該水凝膠材料同時還具有各向異性的溶脹行為和藥物釋放速率。這類新型的水凝膠材料有望為再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域提供新材料。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201906870
