拉伸强度达50MPa！暨南大学研发出超强多糖自组装水凝胶学术资讯

来源：高分子科学前沿

人体中30%左右的蛋白质为胶原蛋白，胶原是细胞外基质最重要的成分，同时也是人体组织中最主要的构造性蛋白。胶原纤维具有多层级纳米结构和独特的自组装行为，以I型胶原为例：首先，三条α-肽链相互拧成1.5nm左右的胶原三螺旋，然后三螺旋体进一步有序捆绑成50-500nm的胶原纤维。胶原纤维的取向受到组织力学环境的影响，其在皮肤中接近于无规则排布，但在韧带、骨中则高度取向，与应力的方向保持一致。在一些生理过程中，胶原的取向也会发生调整，在混乱和取向状态相互转变。胶原含水量可达70%，本质上也是一种水凝胶。

近年来，高性能水凝胶领域高速发展，各种超强超韧智能水凝胶层出不穷，但是几乎没有一种新型水凝胶的性能和结构能够模仿胶原。其原因在于胶原是构筑于三螺旋单元的，其具有超高的硬度和多层级纤维结构，通过多层级有序组织，胶原三螺旋至下而上影响了其宏观力学性能，而目前的合成高分子链段较柔软，在分子-纳米尺度缺乏规整的组织结构，尽管韧性很大，这些水凝胶在较大应力下通常会变软，这和胶原的应力增强特性截然不同。

最近，暨南大学生物医药研究开发基地的王一飞教授团队，发明了一种能够从分子-纳米尺度结构和力学性能模仿胶原的多糖自组装水凝胶，该水凝胶的成分为可德兰多糖(Curdlan),是一种细菌分泌的直链β-1,3葡聚糖，分子量60万道尔顿。之前的研究表明Curdlan可以形成类似胶原的三螺旋结构，但如何诱导其有序自组装则没有任何报道，传统方法通常采用水相加热直接获得凝胶，尽管具有一定弹性，但其强度低且易碎。

论文作者通过程序控温和溶剂变化的方法，制备了一种纳米纤维网络Curdlan水凝胶，电镜发现该水凝胶内部由20-40nm的纳米纤维网络构成，该纤维内部由成捆并取向的curdlan三螺旋构成，X射线衍射发现三螺旋在纤维内成高度结晶的状态，聚集方式非常有序。力学测试发现该凝胶具有和胶原类似的应力增强特性，其应力随着应变的增加而增强。

为了进一步增强该凝胶的力学性能，作者通过拉伸-干燥-溶胀的方法诱导凝胶内部纤维发生取向，降低含水量，增强纤维之间的纠缠。电镜结果显示拉伸处理后的凝胶内部纤维呈高度取向的状态，并且具有类似韧带的多层级结构，断裂拉伸强度可达到50兆帕，应变在18%左右，含水量65%左右，这三个参数都和人类韧带非常类似。

作者最后探索了该凝胶内部纤维从无规状态到高度取向的可逆性，发现可以通过二甲基亚砜和甲酸浸泡的方式诱导发生取向的纤维凝胶恢复到初始的无规则状态，而且具有很好的重复性，这种纤维取向的可逆性转变和组织中的胶原纤维形态变化具有相似性。

该研究以“Dynamic and Hierarchically Structured Networks with Tissue-like Mechanical Behavior”为题发表在美国化学会旗下的ACS Nano杂志上，第一作者为暨南大学吴朝希博士后，通讯作者为暨南大学王一飞教授、广东药科大学王治平教授。并且进行了相关专利申报，可点击以下网址查阅，欢迎学术界和产业界的同事前来交流。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05436

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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