西安交大成一龙课题组《Chem. Mater.》: 抗疲劳断裂、高拉伸性氨基酸基高分子复合水凝胶

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水凝胶由于其多孔的三维网络结构和与人体组织相似的物理化学性质，在组织工程、药物释放和伤口敷料等生物医学领域有着广泛的应用前景。高韧性和循环载荷下稳定的机械性能是水凝胶材料长期应用的关键。然而，大多数现有的韧性水凝胶在有缺口的样品中拉伸性大大降低，具有显著的缺口敏感性，而且在连续的机械载荷下仍然会遭受疲劳断裂。因此，如何通过简单有效的策略设计兼具高拉伸性、韧性和抗疲劳断裂能力的水凝胶材料仍存在挑战。

为了解决以上问题，西安交大成一龙研究员课题组以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸异氰基乙酯-谷氨酰胺（IEM-Gln）和Laponite-XLG纳米粘土片为原料，基于IEM-Gln中脲键基团形成的规整氢键以及聚合物网络与纳米粘土之间的氢键作用，采用一锅自由基聚合法制备了一种具有优异的综合力学性能的纳米复合水凝胶，可用于促进伤口愈合。

图1. 纳米复合水凝胶的设计策略。

该纳米复合水凝胶表现出优异的缺口不敏感性，即使是有缺口的样品仍然可以拉伸到原长的12倍。最大断裂能可达3250 J/m²，与双网络水凝胶、关节软骨相当，兼备高拉伸性和韧性，优于现有的大多数高韧性水凝胶。值得注意的是，水凝胶具有良好的抗疲劳断裂能力，即使在50次循环后，也没有观察到可测量的裂纹扩展。

图2. 纳米复合水凝胶的韧性和抗疲劳断裂能力。

基于纳米粘土表面的强负电荷，纳米复合水凝胶表现出良好的止血活性，可快速控制小鼠肝脏出血，并大大减少出血量。

图3. 纳米复合水凝胶的止血性能。

体内实验结果证明纳米复合水凝胶对小鼠全层皮肤伤口具有良好的治疗效果。其高拉伸性可降低伤口组织的皮肤张力，同时良好的凝血能力可实现快速止血，从而起到促进伤口愈合的作用。

图4. 纳米复合水凝胶促进小鼠皮肤伤口愈合。

相关工作以“Highly Stretchable Nanocomposite Hydrogels with Outstanding Antifatigue Fracture Based on Robust Noncovalent Interactions for Wound Healing”为题，发表于Chemistry of Materials。论文的第一作者为西安交通大学化学学院研究生张梦园，西安交通大学化学学院成一龙研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、陕西省颅颌面精准医学研究重点实验室、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”、陕西国际科技合作计划等项目的支持。论文的表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c01790

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