《AS》美國密歇根大學：Ca2?觸發可時空調節韌性的水凝膠平臺

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

摘要

堅韌水凝膠由于其優異的彈性和生物相容性而在軟機器人、生物電子學和組織粘合劑方面具有很好的應用前景，但其力學性能的精確時空控制仍然具有挑戰性。在這里，我們提出了一種水凝膠平臺，通過潛在的離子交聯機制實現韌性的時空調節。通過將碳酸鈣（CaCO 3）微粒嵌入藻酸鹽/聚丙烯酰胺雙網水凝膠中，我們創建了一個系統，在該系統中，局部鈣釋放和離子交聯可以在空間和時間上進行編程。空間控制通過直接墨水書寫CaCO 3實現，而時間激活由α-δ-內酯觸發，α-δ-內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整剛度和韌性，由此產生的材料為各向異性沖擊屏蔽、定向應變傳感和3D打印組織粘合劑提供了多功能平臺，代表了自適應、可重構和多功能軟材料的范式轉變。

圖解

圖1:（A）順序交聯過程的示意圖。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的PAAm初級網絡。在隨后的GDL處理后，Ca 2+從CaCO 3中釋放，離子交聯藻酸鹽以形成次級網絡。（B）具有或不具有GDL的負載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。相反，由于鈣介導的交聯，GDL觸發可見的凝膠化（C）常規CaSO 4交聯的DN水凝膠（左）和負載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)負載CaCO 3的DN水凝膠在初始狀態（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介導的交聯調節水凝膠的剛度、韌性和拉伸性。（A）用或不用GDL處理的負載CaCO 3的DN水凝膠的代表性應力-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（0.5 - 3%）固定GDL處理（H）連續GDL處理下的時間依賴性機械性能。GDL濃度的逐步增加（情況1至情況3）實現可編程的加強;隨后的EGTA處理逆轉了情況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的示意性比較。CaCl 2從外部擴散，導致表面偏向的交聯。CaCO 3在酸暴露時能夠實現均勻的內部交聯。（J）通過壓痕測試的機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。所有數據均顯示為平均值± SD。

圖3：通過基于擠出的3D印刷和按需增強來制造空間可編程的堅韌水凝膠。（A）印刷和交聯過程的示意性概述。將包含AAm、藻酸鹽、CaCO 3顆粒、丙烯酰胺交聯劑和UV固化以形成初級共價網絡，隨后施加GDL以通過釋放Ca < SUP > 2 +引發離子交聯。顯示UV固化后水凝膠形狀保持性的手寫演示。（C）使用標準擠出印刷機3D印刷柵格圖案。（D）印刷柵格結構在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）印刷柵格在增強后的拉伸和回復行為，（F和G）印刷復雜結構[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處理后增強的機械穩定性和形狀恢復。（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處理的錐體結構的循環壓縮測試（I，右）。（J）經過五個循環的標準化高度。比例尺，10毫米[（B）、（D）、（F）、和（G）]、1毫米（H）、和5毫米（I）。

圖4：空間圖案化的機械各向異性提供了保護和界面功能。（A）含CaCO 3和不含CaCO 3區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）區域的水凝膠構建體的照片。在手動變形下，方向相關的機械行為是明顯的。（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罩進行沖擊的FEA模擬。軟硬排列最有效地重新分布沖擊應力。（F和G）使用不同水凝膠組合保護的脆性小吃進行實驗驗證。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。包裹在軟-硬水凝膠護罩中的雞蛋在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。所有數據均以平均值± SD顯示。

圖5：機械可編程的水凝膠電極保持導電性并實現定向應變感測。（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）電導率。（D）作為應變的函數的相對電阻變化（ΔR/R）。響應于（E）的相對電阻變化逐步拉伸至200%，和（F）循環加載測試超過100次。（G）具有GDL處理和未處理區域的各向異性水凝膠電極的示意圖，其能夠進行定向應變感測。（H和I）當沿沿著軟（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。所有數據顯示為平均值± SD。

圖6：水凝膠能夠應用于水凝膠-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的界面結合與其他水凝膠或生物組織粘附的機制。（B）3D打印的水凝膠片之間的強結合。（C）3D打印的水凝膠與殼聚糖結合，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-能夠實現快速和空間受控的水凝膠粘附。（J）干燥的、脫乙酰殼多糖預處理的水凝膠的強粘附性能。（K和L）3D打印的晶格和多材料層狀水凝膠構建體與組織表面的共形附著。比例尺，10 mm [（B），（C），和（G）至（L）]。所有數據顯示為平均值± SD。

結論

在這項工作中呈現的結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節機械性能，同時保持功能性能。在機械生物學領域，已經做出了相當大的努力來動態地調節水凝膠機械性能，例如剛度和粘彈性，以更好地模擬活組織的演變的物理環境，然而，這些研究主要集中在用于細胞培養應用的水凝膠上，具有相對有限的機械變化范圍，并且凝膠本身通常是易碎的和機械薄弱的。相比之下，軟材料力學領域已經產生了用于堅韌水凝膠的廣泛配方，盡管大多數努力都集中在提高初始韌性而不是實現動態可調性上。直到最近才出現了在堅韌水凝膠中實現動態可調力學的策略。這些策略包括機械自由基聚合通過在變形過程中用于自增強的鍵斷裂觸發，用于機械自適應增強的循環載荷誘導的聚合物生長，用于可逆增韌而無損傷的滑環凝膠中的應變誘導結晶，和力觸發的共價反應，其在負載下延伸聚合物鏈，這些策略中的大多數已經在涉及共價交聯網絡的組合的系統中得到證實，盡管單網絡系統在某些情況下也顯示出希望。