加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组：具有生物组织自我保护功能的动态柔性水凝胶网络

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生物组织（如血管，晶状体，细胞外基质等）在受机械应力发生形变或损坏时，会采取应变-硬化或自修复的自我保护机制来维持组织结构的完整性与功能性。开发同时具有应变-硬化与自修复功能的仿生水凝胶材料在构建人工组织与软体器件中具有重要意义。近年来，虽然基于自修复水凝胶的研究已取得巨大进展，然而，同时具有应变-硬化与自修复功能的仿生水凝胶在以往的研究中很少被报道。目前为止，绝大多数具有应变-硬化特性的凝胶材料主要基于半柔性生物高分子网络以及通过小分子或寡聚物自组装得到的半柔性高分子网络，而在柔性水凝胶网络中实现应变-硬化的特性仍具有很高的挑战。

近日，加拿大阿尔伯塔大学Hongbo Zeng（曾宏波）教授课题组报道了一种同时具有应变-硬化与自修复功能的仿生动态柔性水凝胶。首先，通过制备乳糖醛酸基功能化单体（LAEMA）并将其与丙烯酰胺（AM）进行自由基聚合得到乳糖醛酸基功能化的聚丙烯酰胺，再将其与硼酸基化聚乙二醇（DPB-PEG）混合，通过硼酸与二醇的反应，从而构筑基于动态硼酸酯交联的柔性水凝胶网络（图1）。

图1. P(AM-co-LAEMA)/DPB-PEG 水凝胶合成示意图。

该水凝胶的仿生应变-硬化特性异于绝大多数柔性水凝胶网络的应变-软化性质。这种应变-硬化的特性可归因为形变过程中聚乙二醇的非线性拉伸与有限延展性（图2）。这种应变-硬化的机械响应性可以通过改变硼酸-二醇摩尔比、聚合物浓度、凝胶温度、聚乙二醇链长实现精细调控。

图2. P(AM-co-LAEMA)/DPB-PEG 水凝胶的应变-硬化机理示意图。

由于硼酸酯的动态性，该水凝胶可在数秒内完成自修复过程，并完全保留应变-硬化的机械响应能力。作者通过表面力仪（Surface Forces Apparatus）进一步研究了该凝胶基于硼酸-二醇动态分子间作用力的自修复机理 （图3）。

图3. P(AM-co-LAEMA)/DPB-PEG 水凝胶的自修复性能及硼酸-二醇动态分子间作用力。

基于该水凝胶优异的生物相容性与仿生机械性能，该凝胶可被用为人工细胞外基质实现3D细胞培养 （图4）。该工作为具有生物组织自我保护功能的仿生材料设计提供了新思路。

图4. P(AM-co-LAEMA)/DPB-PEG 水凝胶用于3D细胞培养。

这一成果近期以“Dynamic Flexible Hydrogel Network with Biological Tissue-like Self-Protective Functions”为题发表在Chemistry of Materials上，文章的第一作者是博士生汪闻达，通讯作者为曾宏波教授和Ravin Narain教授 (阿尔伯塔大学)。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c03526

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