上海交大刘尽尧团队《先进材料》：水凝胶弹性与塑性的可控调节

来源：高分子科学前沿

12月19日，上海交通大学分子医学研究院刘尽尧课题组在国际权威学术期刊Advanced Materials发表题为“Switching between elasticity and plasticity by network strength competition”的研究论文。刘尽尧研究员是该工作的通讯作者，第一作者为上海交通大学医学院在站博士后明尊振。

人体中存在许多软组织，比如软骨、骨骼肌、角膜和血管等。以适应复杂的体内生理环境，这些组织具有层次有序的复合结构，并表现出高度各向异性的机械强度和性能。水凝胶是一类含水量高的三维网状材料，具有与软组织类似的结构。通过分子设计，水凝胶可达到与软组织接近的力学性能以及良好的生物相容性，这使得该类材料在生物医药和组织工程领域得到了广泛应用。相比传统的水凝胶材料，各向异性水凝胶在组织工程应用方面具有更大潜力，更能满足其对材料力学性能的需求。尽管各向异性水凝胶被广为报道，但截至目前仍然缺乏有效的方法来调控其力学性能，以适应复杂的体内生理环境。为解决该问题，刘尽尧课题组通过借助水凝胶网络强度之间的竞争（图一），提出一种调控水凝胶力学性能的新机制。基于该方法，水凝胶材料可在弹性、塑性、各向异性以及溶胀性能方面进行调节，并能实现对所装载药物分子的可控释放。

图一 通过网络强度之间的竞争来调控水凝胶材料的力学行为

在本研究中，作者设计了由两种不同网络结构组成的复合水凝胶。其中一种为共价交联的聚合物网络，能为水凝胶带来良好的弹性。另一种则为具有剪切变稀属性的纳米纤维网络，能赋予水凝胶优异的塑性。通过调节两种网络各自的力学强度，就可以实现水凝胶材料在弹性和塑性之间的转换。比如，当共价交联网络的力学强度高于纳米纤维网络时，该水凝胶表现出良好的弹性。反之，该材料则表现出优异的塑性。在此基础上，将所得到的塑性水凝胶进一步拉伸，可制备具有高强度和高韧性的各向异性水凝胶（图二）。这是在拉伸过程中，由于纳米纤维网络进行取向排列，使得到的水凝胶材料在平行于纤维的方向具有更高的拉伸和压缩模量。同时，因为纤维的取向，该水凝胶材料同时还具有各向异性的溶胀行为和药物释放速率。这类新型的水凝胶材料有望为再生医学和组织工程领域提供新材料。

图二 拉伸后所得到的具有高强度和高韧性的各向异性水凝胶材料

刘尽尧研究员简介

刘尽尧，博士，国家高层次海外人才引进青年项目获得者，2013年博士毕业于上海交通大学（导师：中科院院士颜德岳教授），2013至2018年分别在杜克大学（导师：美国发明院院士Ashutosh Chilkoti教授）以及麻省理工学院（导师：美国三院院士Robert Langer教授）从事博士后研究。2018年4月全职加盟由中科院院士谭蔚泓教授领衔的上海交通大学分子医学研究院，任研究员，博士生导师。研究兴趣包括肠道菌群与疾病治疗、生物界面与免疫调控、纳米药物与药物递送、肿瘤早期诊断与成像等。至今，在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等期刊上发表论文30余篇。相关工作被MIT News，Boston Herald等媒体报道。曾获教育部博士学术新人奖、科学院卢嘉锡优秀研究生奖、上海市优秀博士论文等。课题组成立一年多，独立开展课题已在Nature系列等期刊发表多篇论文（Nature Communications 2019, 10, 3452; Nature Communications 2019, 10, 5783; Advanced Materials 2019, 1906870等）。关于更多我们的信息，请访问课题组主页www.liulab.org.cn 。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201906870