【科研摘要】
仿生关节软骨的制造一直是一个热门话题，因为许多人都患有软骨退行性变。在各种替代材料中，具有生物相容性且低摩擦的PVA基水凝胶显示出其替代天然软骨的特殊潜力。然而，大多数水凝胶的多孔性质在液体环境中易于不可避免地溶胀或降解，从而限制了它们在组织工程的实际临床应用中的才能。
最近，哈尔滨工程大学张馨月博士/马宁教授团队通过结合两种具有成本效益和生物相容性的材料，聚乙烯醇（PVA）和植酸钠（PANa），设计和制备了一种具有生物启发性的水凝胶，它们在不同的溶液中具有超强的韧性和长期的抗溶胀性能。PANa和PVA之间的强氢键以及PVA链的结晶微相，在提供物理交联点以使PVA-PANa凝胶具有致密的多孔结构方面发挥了主要作用。同时，对PVA-PANa复合物引入了压缩过程，以进一步增强其机械性能。此外，PANa的引入可以使PVA-PANa凝胶具有良好的导电性，在应变传感中表现出高度灵敏和稳定的响应。
这种高强度，抗溶胀和导电水凝胶的创新制备方法将为生产可植入智能生物材料开辟一条有希望的途径。相关论文以题为Bioinspired Conductive Hydrogel with Ultrahigh Toughness and Stable Antiswelling Properties for Articular Cartilage Replacement发表在《ACS Materials Letters》上。
示意图1. PVA-PANa凝胶形成机理的示意图
图1. PVA-PANa凝胶的制备过程。（a）PVA-PANa凝胶的制备过程方案。PVA-PANa凝胶的溶胀行为随时间（b）和UV-vis光谱（c）而变化（插入图为PVA-PANa凝胶的照片）。（d）染色的PVA-PANa凝胶成型不同形状的数码照片（比例尺：1厘米）。
图2. PVA-PANa凝胶的基础特征。
图3. PVA-PANa凝胶的机械性能。
图4. PVA-PANa凝胶的抗溶胀性能。
图5.导电性能和应变感应性能。
【总结】
基于生物相容性PVA和PANa之间的强相互作用，团队提出了一种简便而经济的策略来构建新型的关节软骨替代材料。合成的PVA-PANa水凝胶具有韧性，易于成型，抗溶胀和导电性的优点，可以充分满足模拟关节软骨的实际需求。显着地，由于压缩成型工艺，交联网络将比以前通过外力变得更加均匀和致密，从而使水凝胶具有更强的机械强度和更好的抗溶胀性能。PVA和PANa之间的原始致密氢键以及PVA的原位形成的结晶微相共同使水凝胶的断裂应力超过7 MPa，几乎达到了报道的基于PVA的水凝胶的最高强度。同时，PVA-PANa凝胶在不同的溶液（包括H2O，PBS缓冲溶液和生理盐水）中可以稳定20天以上，而没有明显的溶胀和损坏。PVA-PANa凝胶的这些出色能力接近天然软骨的基本特性，使其成为下一代可植入软骨替代材料的最佳选择。掺杂的PANa除了具有良好的弹性外，还赋予PVA-PANa凝胶以离子导电性，并且可以表现出灵敏的响应和外部应变变化的可再现性，这将是智能仿生传感元件的有希望的候选者。
参考文献：doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00203
原文刊载于【高分子材料科学】公众号
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