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上海交通大學(xué)：水凝膠技術(shù)新突破，高強韌水凝膠材料唾手可得！

更新時(shí)間：2023-09-20點(diǎn)擊次數：923
水凝膠材料在生物醫學(xué)領(lǐng)域展現了廣闊的應用前景，成為當前最。受。關(guān)。注的生物材料。力學(xué)性能是材料的應用前提，然而水凝膠材料天生質(zhì)弱，強度低、韌性差，成為限制其應用的瓶頸難題。多年來(lái)，國內外研究人員傾注大量的時(shí)間與精力，致力于攻克這一難題?？梢哉f(shuō)，在水凝膠領(lǐng)域，掌握了解決力學(xué)難題的核心技術(shù)，就擁有了開(kāi)啟應用之門(mén)的鑰匙。特別是近幾年，伴隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)界對水凝膠材料的青睞，相關(guān)技術(shù)的臨床轉化儼然已進(jìn)入白。熱?；偁庪A段。然而時(shí)至今日，這一問(wèn)題始終沒(méi)有得到有效解決。盡管當前已有多種提升水凝膠力學(xué)性能的方法，例如雙網(wǎng)絡(luò )策略以及基于聚乙烯醇的結構優(yōu)化策略，但這些方法無(wú)一例外涉及冗長(cháng)制備流程或苛刻制備條件，限制了其臨床轉化應用。



為了攻克上述難題，上海交通大學(xué)林秋寧研究員/朱麟勇教授課題組提出一種全新的、廣泛適用的水凝膠交聯(lián)技術(shù)?；谠摷夹g(shù)，常規的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、多糖等，僅需數秒光照即可形成既強（15.3 MPa）又韌（138.0 MJ m^-3）的水凝膠材料，幾乎顛。覆了水凝膠的制備與力學(xué)屬性。更驚人的是，該水凝膠材料能夠循環(huán)拉伸超過(guò)10萬(wàn)次，展示了無(wú)。與。倫。比的回彈性與耐疲勞性，完。全。能。夠與非水體系的彈性體材料如橡膠、聚氨酯等相媲美。該技術(shù)的提出，意味著(zhù)高強韌水凝膠材料的制備將從此變得輕而易舉，賦予水凝膠生物醫用廣闊的想象空間?；谠摷夹g(shù)突破，原本無(wú)法加工的高精密、復雜水凝膠器件（如支架、血管等），現皆可通過(guò)投影式光固化3D打印技術(shù)進(jìn)行加工制造。相關(guān)成果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels"為題發(fā)表于Nature Materials。第一作者為上海交通大學(xué)鮑丙坤博士、曾慶梅博士、李凱博士，以及華東理工大學(xué)溫建鋒教授，通訊作者為上海交通大學(xué)林秋寧研究員和朱麟勇教授。該工作得到華東理工大學(xué)涂善東院士團隊在模擬計算、浙江大學(xué)賀永教授團隊在3D打印方面的支持與幫助。

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以聚乙二醇和透明質(zhì)酸構筑的水凝膠為例，作者對該技術(shù)背后全新的“光偶聯(lián)反應"原理進(jìn)行了實(shí)驗論證。在此過(guò)程中作者發(fā)現，該水凝膠形成了獨。特的微觀(guān)結構：呈現力學(xué)有利的微觀(guān)相分離；其中，聚乙二醇形成連續相，模量較低，透明質(zhì)酸聚合形成分散相，模量較高；兩相通過(guò)“光偶聯(lián)反應"建立牢固界面，實(shí)現兩相完整一體化。有趣的是，該微觀(guān)結構無(wú)需人為精心設計或小心調控，在光照下數秒內即可自發(fā)形成。正是因為此，水凝膠的凝膠化過(guò)程異?？焖偾覘l件溫和，具備臨床易操作屬性、契合生物安全性要求，從而奠定了該技術(shù)臨床轉化應用的基礎。

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圖1 水凝膠技術(shù)的交聯(lián)反應原理

該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢在于，構筑的水凝膠材料不僅力學(xué)性能出色，而且其性能參數在很大范圍內可按需調節。例如，選擇合適配比，水凝膠材料展現優(yōu)異的拉伸能力，能夠拉伸屈服至原始長(cháng)度的28倍。此時(shí)，水凝膠材料的韌性高達138.0 MJ m^-3，比高韌性水凝膠材料的代表——雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠——高出近一個(gè)數量級。如此高的韌性表現，甚至超越大多數金屬與非金屬材料，如高強度鋼、尼龍、合成橡膠以及木材等，可以與蛛絲比肩。當配比改變，水凝膠亦可轉變?yōu)椴磺母邚姸炔牧?，強度高達15.3 MPa。該強度代表已報道共價(jià)網(wǎng)絡(luò )水凝膠的最。高。水。平。值得注意的是，無(wú)論在哪種配比下，該技術(shù)制備的水凝膠都能夠兼顧強度與韌性性能，克服材料“強韌互斥"的普遍矛盾。

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圖2 水凝膠材料的力學(xué)性能

值得一提的是，上海交通大學(xué)林秋寧研究員/朱麟勇教授團隊就本論文提出的“光偶聯(lián)反應"原創(chuàng )凝膠技術(shù)進(jìn)行了完整的知識產(chǎn)權布局，從原料、制備、配方、產(chǎn)品及其臨床應用進(jìn)行全面保護，截止目前，共申請中國、PCT、美國、歐洲和日本等發(fā)明專(zhuān)。利20項，已授權中國發(fā)明專(zhuān)。利10項、美國發(fā)明專(zhuān)。利3項、日本發(fā)明專(zhuān)。利1項?；诖?，團隊開(kāi)發(fā)了多款水凝膠墨水，可廣泛應用于數字光處理（DLP）、擠出式等3D打印技術(shù)，用于加工制造高精度、復雜形狀的水凝膠結構。同時(shí)，團隊就該技術(shù)進(jìn)行臨床轉化，當前已完成產(chǎn)品的工程化、安全性驗證以及注冊檢驗，定型了兩款光固化醫用膠產(chǎn)品，分別完成了多中心臨床試驗，并提交1項創(chuàng )新醫療器械申請。技術(shù)臨床轉化所依托的醫療科技公司已完成A輪融資。

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