作者:王运龙等 来源:《自然-通讯》 发布时间:2024/1/22 10:27:22
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南京航空航天大学一步实现橡胶向水凝胶的转化
通过辐射法制备仿结缔组织水凝胶材料

 

2024年1月20日,南京航空航天大学材料科学与技术学院讲师王运龙博士、马骏教授与中国工程物理研究院核物理与化学研究所刘栋研究员合作在Nature Communications期刊发表了一篇题为“Connective Tissue Inspired Elastomer-based Hydrogel for Artificial Skin via Radiation-indued Penetrating Polymerization”的研究论文。

该论文提出一种通过辐射诱导渗透接枝聚合将多种橡胶一步转化为仿生杂化水凝胶的通用方法,可一步制备出以疏水结构为弹性骨架的水凝胶,其具有与人类皮肤相似的模量和摩擦系数,还具有离子响应性,可用于人造皮肤、流体流量控制器、伤口敷料层等仿生领域。南京航空航天大学材料科学与技术学院博士生田园为第一作者,王运龙博士、马骏教授为共同通讯作者。

水凝胶材料在仿生领域展现了广阔的应用前景,成为当前最受关注的生物材料。然而,水凝胶材料与真实皮肤的性能存在着较大鸿沟。在过去的十几年中,研究人员提出了双网络结构凝胶、两性离子凝胶及亲疏水作用等多种方法来提高水凝胶的性能。然而,传统的从溶液聚合制备水凝胶的制备方法限制了性能优异的疏水弹性体结构难以整合进水凝胶基体中。受结缔组织中弹性纤维与亲水基体结合结构的启发,田园等提出一种简单且通用的弹性体基水凝胶制备技术,即利用辐射诱导亲水单体逐步渗透接枝改性弹性体一步法制备出杂化水凝胶,该技术可用于硅橡胶、聚氨酯、VHB、SEBS、氟橡胶以及天然橡胶等多种弹性体,具有良好的通用性。该方法制备的水凝胶弹性由原橡胶的交联网络提供,具有强度高、抗穿刺性能好、摩擦系数与人皮肤相似、性能高度可调优势,并具有离子响应性能,在生物组织工程及医学领域展示出良好的应用前景。

图1:弹性体基水凝胶的辐射诱导渗透原理和结构表征。

以亲水单体丙烯酸(AAc)辐射改性硅橡胶(PDMS)为例(图1a),作者通过辐射诱导,采用丙烯酸对硅橡胶进行改性,随着改性的进行,丙烯酸逐步渗透到已改性的硅橡胶层并使改性不断向硅橡胶深处进行,最终使整个硅橡胶材料均被改性成均匀的杂化水凝胶材料(CEBH)。核磁谱图证明,在辐射的作用下,AAc通过共价键作为支链接枝在PDMS交联网络上。该水凝胶以PDMS主链为骨架,提供亲水性能的AAc为支链,其结构与结缔组织中的弹性纤维与亲水性基质复合结构类似,具有良好的弹性和亲水性。

图2:弹性体基水凝胶的辐射诱导渗透和相结构。

如图2a展示了辐射诱导渗透接枝的接枝前沿向内部扩展,并最终形成均匀水凝胶的过程。随着接枝程度的增加,亲水层的厚度不断增长,而疏水芯层收缩并最终消失。作者通过不同硬度(即交联网络密度)的接枝发现,交联网络密度的提高会降低最终接枝率,表明交联网络提供的收缩力会抑制改性过程中单体的渗透。进而可以推测,接枝后溶胀导致的收缩力同样会后续改性过程,并限制已接枝层的过度改性,从而使整个接枝体较为均匀而不是呈现梯度结构。DSC结果显示,在接枝过后,硅橡胶和聚丙烯酸在CEBH中均未形成连续相。而小角中子散射(SANS)谱图显示,Porod拟合结果给出的幂律斜率为-3.6,表明溶胀水凝胶中的分子链呈现出分形维数为2.4的表面分形结构,证明了氘代水溶胀的PAA和疏水PDMS的界面高度弥散。研究团队将CEBH浸入Cu2+溶液后,通过EDS映射表征元素的分布(图2e),发现CEBH中的Cu、Si、C和O元素分布表明没有畴结构的均质结构。因而,CEBH呈现出均一的相结构,排除了双连续相结构的可能性。

图3:弹性体基水凝胶的力学性能及其仿人类皮肤应用。

研究团队通过万能拉伸机对CEBH进行了机械性能的测试。CEBH的杨氏模量最高可达0.4 MPa,用钙离子钙化后可达3.2 MPa(图3a d)。CEBH最高可承受4吨的压力,且释放压力后可快速恢复(图3b e)。在穿刺实验中,CEBH可被顶起很高的锥形,证明其具有很好的抗穿刺能力(图3c f)。针头直径1mm时,最大抗穿刺力为7.2 N;针头直径10 mm时,最大抗穿刺力为96 N。同时,CEBH具有相对粗糙的表面,摩擦系数最大为1.3。上述力学性能均可通过丙烯酸含量与含水量进行调节。研究团队将CEBH制备成指套形状套在机械手上,发现机械手可以轻松地在空气和水中抓起表面光滑的鸡蛋,也可以弹走泡沫小球(直径3mm)而不是黏在水凝胶上。CEBH具有的优异不粘附性、不脆性、耐高压性和抗穿刺性能,是一种性能优异的仿人类皮肤材料。

图4:弹性体基水凝胶的形状适应及其应用。

此外,研究团队还对该水凝胶的潜在应用进行了探索。形状适应是医学组织工程应用的一个关键问题。研究团队证明,具有高含量羧酸基团的CEBH 可以在碱性溶液中膨胀,在Ca2+溶液中固定其形状,并在弱酸溶液中恢复其原始形状(图4a-c)。因而,通过不同离子环境的改变,可以控制该水凝胶材料的形貌以适应不同的应用场景。研究人员进一步展示了通过离子环境进行液体流量控制的简单装置。在该装置中,导管的一部分被转换为CEBH,并在该部分预设了一个小的实心塑料球。通过改变装置外部的离子环境,通过CEBH管的膨胀和收缩实现了液体流动的离子触发开关。此外,细胞毒性证明该水凝胶材料具有良好的生物相容性,可应用于医疗领域。图4e描绘了伤口敷料的应用。碱化膨胀的CEBH覆盖到模拟受伤部位,喷洒钙离子溶液后,敷料在较短时间内即可收缩并符合伤口轮廓,并且可使用弱酸溶液(此处为0.2M柠檬酸)来解除收缩,从而轻松去除绷带。研究团队还用小鼠(BALB / c)进行全层皮肤伤口愈合实验。结果表明,对照组(用Tegaderm薄膜处理)和模型组(用CEBH处理)的伤口愈合率相似,伤口闭合结果无显著差异,表明CEBH与Tegaderm™™薄膜对实验小鼠伤口愈合的影响相似并显示出良好的生物安全性。另外,CEBH管的收缩力可以提供牢固的连接(图4j),提供高达16 N的拉力。因此,CEBH还具有成为手术中固定体的潜力。

辐射诱导渗透接枝改性方法制备水凝胶具有良好的通用性,为水凝胶材料的制备提供了全新的思路。该方法有望扩展到不同的橡胶基体与亲水性单体,具有广阔的应用前景,可以为人造皮肤、生物组织工程、医用材料等领域提供更多的选择。

这项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金、中央高校基本科研业务费专项资金的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44949-1

 
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