Nature Materials：高强韧水凝胶快速制备

      上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组提出一种全新的、广泛适用的水凝胶交联技术，得到了一种高强韧水凝胶材料。这项研究利用AFM系统研究了水凝胶微观结构与力学性能之间的“构效关系”。通过水凝胶拉伸前后微观结构的对比与分析，作者发现了强韧水凝胶设计的决定性因素：两相界面。通过有限元模拟计算的结果表明，材料在受力过程中，应力更容易在两相界面处集中。该研究结果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels”为题于2023.8.21日发表于Nature Materials https://doi.org/10.1038/s41563-023-01648-4

     水凝胶柔软、高含水，与生物组织高度相似，是当前最受关注的生物材料。然而，水凝胶力学性能不足，极易损坏，导致其在生物医学领域的应用十分受限。多年来，国内外研究人员一直致力于攻克这一难题，然而时至今日，力学性能不足这一问题始终没有得到有效解决。上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组以聚乙二醇和透明质酸构筑的水凝胶为例，对该技术背后全新的“光偶联反应”原理进行了实验论证。在此过程中作者发现，该水凝胶形成了独特的微观结构：呈现力学有利的微观相分离；其中，聚乙二醇形成连续相，模量较低，透明质酸聚合形成分散相，模量较高；两相通过“光偶联反应”建立牢固界面，实现两相完整一体化。其微观结构决定了水凝胶整体的力学性质。AFM技术被广泛应用于微观力学性能表征，探针在压电陶瓷驱动下正弦振动接近并与样品相接触再离开，样品在这个过程做所受到的力以及形变被AFM记录下来，即为力-形变曲线，对其拟合即可获得样品的杨氏模量，可以快速地同时得到形貌结构和模量之间的“构效关系”。林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组所研究以聚乙二醇和透明质酸构筑的水凝胶两相结结构以像细胞一样柔软相作为基底，几十纳米强度稍高的相分散其中，这对于其模量分布的表征是个很大的挑战，探针曲率半径的选择需要同时满足横向分辨率和对样品压强的要求，同时需要快速的得到模量的分布图像。林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组利用PeakForc QNM模式，成功地得到生理条件下水凝胶材料的两相分布，同时还进行拉伸前后微观结构的对比与分析，作者发现了强韧水凝胶设计的决定性因素：两相界面。只有界面够强，分散相在受力过程中才能发生有效、充分的破裂，从而消耗足够多能量，赋予材料高韧性。有限元模拟计算的结果表明，材料在受力过程中，应力更容易在两相界面处集中。同样的道理，界面越强，能够支撑的集中应力越高，材料的强度就越高。作者进一步设计实验，减弱界面强度，“反向”证明界面在高强韧水凝胶设计中的决定性作用。考虑已报道的纳米复合水凝胶虽具备相分离结构，但无牢靠界面支撑，论文结论有望启示解决该类水凝胶力学问题的新方向

    图1 a:  水凝胶材料微观结构与力学性能的关联性 b: 湿态下凝胶微观结构制备示意图c:干态BIN凝胶变形前后的结构相位图

      该工作中所用到的模量分布图用Bruker公司的Dimension Icon原子力显微镜搭配液体池模块实现的。Dimension Icon有着优异的成像性能，可以快速、高效地对多种材质、多种尺度的样品进行定量成像。与传统AFM测量技术相比，在Peak Force QNM技术中形貌成像和力学测量可以同时进行，针尖与样品的作用力可以得到精确控制，力学测量速度与成像速度一样快，可以有效地避免样品的损坏和针尖的污染，也可以在很大程度上避免传统力学测量技术中对细胞进行化学固定的要求，因而可以同时得到高质量分辨率高的样品形貌图像和力学性质。