《自然·通讯》华南理工大学蒋凌翔:星状体互穿水凝胶模拟组织力学

【摘要】

许多软组织在轴向应变时会压缩变硬和伸展变软，但常见的水凝胶是惰性的（对于理想链）或组织相反（对于半柔性聚合物）。最近，华南理工大学蒋凌翔教授、与南京大学曹毅教授合作，团队共同报告了一类在结构上与组织不同但在机械上类似于组织的星状型水凝胶。

具体而言，两亲双子分子的分层自组装产生具有共同核心和发散生长的半柔性带状的放射状星状体；相邻的星状体通过其外围带的交织形成凝胶网络，从而适度地相互渗透。与组织相似，星状体凝胶在压缩时变硬，在伸展时变软，不同凝胶组合物的所有实验数据都折叠到单个主曲线上。团队提出了一个最小模型来定量再现主曲线，作为星状体-星状体互穿的决定性作用的基础。压缩显着扩大了互穿区域，在此期间有效交联的数量增加并加强了网络，而延伸则相反。展望未来，团队希望这种独特的相互渗透机制为设计和构建机械组织类材料提供新的视角。相关论文以题为Astral hydrogels mimic tissue mechanics by aster-aster interpenetration发表在《Nature Communications》上。

【图文解析】

化学和材料科学的一项持续努力是开发能够重现生物细胞、组织和器官机械特征的合成物质。 在亚细胞和细胞水平上取得了重大进展。早期研究揭示了细胞骨架和细胞外生物聚合物网络普遍存在的强烈剪切硬化反应（图 1a、c）；这种特征反应主要归因于生物聚合物的半柔性性质，它可以保护细胞免受大的、威胁完整性的变形。在合成方案中，剪切硬化反应在许多仿生系统中被巧妙地再现，如聚异氰肽或棒状胶束水凝胶，表明链刚度和交联强度的重要性。

图 1：响应剪切和轴向应变的凝胶力学概述。

星状体水凝胶的特性

来自光学显微镜 (OM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 的图像显示了具有明确核心射线结构和大尺寸~50-120 μm 的主要星状体（图 2a-e）。在凝胶切片中，星状体紧密堆积以形成可以捕获溶剂的扩展网络（图 2c-e 中ee分别= 0、0.33和0.5）。显微图像的目视检查（图 2c-e）表明，对于不同的 ee 值，星状体具有相似的大小和相似的色带密度。

图 2：星状体和凝胶的显微结构。

星状体水凝胶的剪切和双轴力学

不同轴向应变下的剪切模量-剪切应变曲线以 3D 方式表示（图 3c），其中曲线形状相似，但在压缩时向上和向右移动。提取线性区域中的 G' 并将其绘制为轴向应变的函数（图 3d、e），其中观察到所有星体凝胶的压缩-硬化和拉伸-软化响应。此外，较高浓度的斜率更陡峭（图 3d），但对 ee 基本上不变（图 3e）。

图 3：星形水凝胶的剪切和双轴响应。

对星状体-星状体相互渗透的微观见解

尽管光学镊子可能是操作星状体并同时测量力的理想方法27，但其捕获力太小而无法影响星状体 (~100 μm)。因此，团队使用光纤来物理操纵星状体。当一个星状体被推向另一个时，会实时跟踪星状体交叉点的形成（图 4a、b）。

图 4：对星状体相互渗透的微观洞察。

描述星体凝胶轴向力学的最小模型

团队在图 5a 中绘制了星形凝胶的归一化弹性 G'/G'0 作为拉伸比 λ 的函数（压缩<1>1）。这是这项工作的关键数据，其中不同凝胶组合物的所有数据点都折叠成一条主曲线。这种数据相似性促使团队开发一个最小模型来捕捉星体凝胶的结构本质并解释观察到的双轴力学。

图 5：主曲线和最小模型。

通过添加星状体将惰性凝胶变成压缩硬化

松散的星状体骨架之间丰富的自由空间可以潜在地容纳其他粒子或结构朝向双网络或复合材料。沿着这一思路，团队通过在高温下渗透将 16-2-16 单体加载到琼脂糖或聚丙烯酰胺 (PAAm) 的预制惰性凝胶中，并通过冷却触发紫菀形成。在预先存在的网络存在的情况下，尽管紫菀更薄，但它看起来完好无损；琼脂糖或 PAAm 凝胶的惰性反应现在变成了适度的压缩硬化（图 6a）。

图 6：星状体凝胶与其他凝胶的比较。

【总结】

团队在这里展示了一类互穿材料，其构建块是具有共同核心和发散排列的丝带的星状体。星状体通过外围带的交织与邻居相互渗透，形成一个吸水的弹性网络。星状体凝胶表现出与具有惊人规律性的组织相似的压缩硬化和拉伸软化反应—不同凝胶组合物的所有实验数据都折叠成一条单一的曲线。构建了一个最小模型来完整再现主曲线，剖析三个贡献者。互穿性质起着核心作用，因为压缩会促进互穿以加强网络，而延伸则相反，而半柔性星光带的非线性弹性和网络致密/稀释是次要的。团队设想当前的星状型凝胶为互穿物质树立一个榜样，这些物质在几何和机械性能方面可能很有吸引力。

参考文献：

doi.org/10.1038/s41467-021-24663-y

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