水凝膠與生物組織相似， 兼具高承載能力和高含水量，在組織工程、可穿戴設備和軟機器人方面具有廣闊的應用前景。高強度、高模量、高韌性和抗疲勞特性對水凝膠實際承重應用至關重要，但傳統水凝膠由於鬆散的交聯和各向同性的網絡結構導致機械性能較。為此，目前已經提出了多種增強和增韌策略，例如構建多重交聯、雙網絡、納米晶體和分子鏈取向等，但這些水凝膠的結構層次有限，難以實現高強度、高模量、高韌性和抗疲勞性的統一。
受天然甲殼類生物外骨骼多尺度梯度手性結構 （扭曲膠合板結構）的啟發，四川大學熊銳特聘研究員和中山大學吳嘉寧副教授通過梯度手性結構和分子工程，構建出具有多尺度分級結構的強韌水凝膠。利用纖維素納米晶體 (CNCs)的膽甾型液晶自組裝和有序堆疊，構建高度有序且連續的梯度手性結構。隨後通過鹽析和凍融循環，促進聚乙烯醇 (PVA) 納米晶體域的形成。由於分子尺度到微觀尺度的分級調控，仿生水凝膠具備優異的機械性能，強度 (46 ± 3 MPa)、模量 (496 ± 25 MPa) 和韌性 (170 ± 14 MJ m-3) 以及高疲勞閾值 (32.5 kJ m-2) 和抗衝擊性 (48 ± 2 kJ m-1)。此外，由於梯度結構存在溶脹性差異，通過形狀設計可構建複雜結構的三維結構水凝膠，為仿生結構水凝膠提供了一種獨特的設計方法。該研究論文以題為“Biomimetic Structural Hydrogels Reinforced by Gradient Twisted Plywood Architectures”發表在最新一期《Advanced Materials》上。
圖 1a 展示了通過結構和分子工程構築具有梯度手性結構水凝膠的設計和製造策略。CNC 是天然高分子納米晶體，呈棒狀形態、具有優異的生物相容性、高剛度（150 GPa）和強度（7 GPa），聚合物PVA具有出色的親水性且可以誘導形成納米晶域。作者利用蒸發誘導自組裝技術，製備出具有手性結構的納米複合薄膜。通過將三種不同手性週期的PVA/CNC膜有序堆疊在一起來構建梯度結構，對製備的梯度納米複合膜進行鹽析處理，通過溶脹形成水凝膠。在這過程中，霍夫邁斯特效應誘導PVA形成結晶域。然後通過凍融循環促進PVA鏈的聚集和纏結，增強結晶相從而成功構建仿生梯度水凝膠。
得益於在可見光波長下長程有序的手性結構，製備的 PVA/CNC 納米複合膜呈現出鮮豔的結構色。通過調整 PVA 的含量，可以在整個可見光波長範圍內調節手性結構的間距使其呈現出不同的手性結構色。長程有序的手性結構通過薄膜表面形貌（AFM）中CNC的高度有序排列和薄膜橫截面（SEM）上均勻的手性層狀CNC結構得到驗證。
作者通過構建PVA 水凝膠、手性結構水凝膠 (t-hydrogel) 和具有無規 CNC 結構的梯度水凝膠 (gr-hydrogel)來探究分級結構對水凝膠力學性能的影響。相比於經過鹽析和凍融處理的PVA 水凝膠，通過構建手性結構或梯度結構的水凝膠表現出更優異的力學性能。在仿生梯度水凝膠（gt-hydrogel）中進一步結合這兩種結構特徵，可以實現優異的強度（46 ± 3 MPa）、超高的楊氏模量（496 ± 25 MPa）和卓越的韌性（170 ± 14 MJ m-3），分別是 PVA 水凝膠的 3.9 倍、2.0 倍和 9.8 倍。另一方面，為了確定分子工程在仿生梯度水凝膠力學增強中的作用，分別比較了通過水溶脹、鹽析和鹽析/凍融組合構建的非結晶性、低結晶性和高結晶性仿生梯度水凝膠的機械性能。其力學性能的提高得益於結晶度的提高，高結晶度的水凝膠比非結晶水凝膠強度高6.8倍，楊氏模量高165.3倍，韌性高10.0倍。此外，所製備的仿生梯度水凝膠的強度和韌性均超過了已報道的水凝膠和天然人工組織。
在該體系中，頂部水凝膠由PVA 含量低的PVA/CNC複合薄膜組成，由於有限的溶脹能力而作為被動層。底部水凝膠由PVA 含量高的PVA/CNC複合薄膜組成，作為活性層溶脹程度更大以誘導變形。通過溶脹性差異以及獨特的形狀設計，可通過調控不同 2D 幾何形狀的變形來構建複雜的 3D 結構水凝膠，例如三角形、“H”、“T”和花朵圖案。該形變具有永久性，即在完全乾燥後也仍然能保持 3D 形狀。
總結：作者通過將分層梯度結構工程與分子工程相結合，構建出具有優異機械性能的結構水凝膠。該水凝膠具有多尺度的分層結構，包括微/納米尺度上的長程有序梯度手性結構以及高度結晶的分子網絡，從而結合不同尺度的強韌化機制，使水凝膠兼具高強度、高模量、高韌性和抗疲勞性的機械性能。此外，通過調控多層水凝膠中的幾何形狀和成分分佈，構建出可編程的3D 變形水凝膠。由於該水凝膠具有良好的力學性能、生物相容性和變形能力，有望用於組織再生的複雜組織支架，模擬天然細胞外基質，促進細胞生長和分化，以及軟體機器人或傳感器等領域。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411372?af=R
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