川大秦萌/秦家强AFM: 基于有序-无序结构构造策略的超强、超韧PVA水凝胶纤维，以人造韧带为目标

具有高强度、高模量和高韧性的水凝胶在人造人体承重组织领域具有巨大的应用潜力，但制备具有上述高性能的材料仍是一个巨大的挑战。本文提出了有序向无序（OTD）转变的结构构造策略，以获得具有高强度、高模量和高韧性的水凝胶纤维。OTD结构构造策略是指PVA聚合物纤维中的分子段通过溶胀和随后的盐析处理实现有序到无序的转变，同时仍然保持整个聚合物链的一般有序性。PVA分子链结晶提供了物理交联以稳定结构。结果表明，水凝胶纤维的断裂伸长率可达257%。强度达到190.04 MPa，是人体韧带强度的4 倍多。模量达到137.31 MPa，与人体韧带完全匹配，韧性达到 100.61 MJ m−3。此外，它在液体环境中具有稳定的力学性能和良好的生物相容性，在人工韧带领域具有巨大的应用潜力。这种OTD结构构造策略为获得具有理想机械性能的水凝胶纤维提供了一种简便的方法。

图文简介

a) 强韧水凝胶纤维的制备示意图。 b) 不同温度下水凝胶纤维的径向溶胀率。 c) 随着温度的升高，溶胀的PVA水凝胶纤维的横截面形态（PVA-S）和盐析后水凝胶纤维的横截面形态（PVA-S-S）。S后面的数字表示溶胀温度。d) PVA 纤维的相对结晶度，以及不同溶胀温度下PVA-S和PVA-S-S的相对结晶度。

a )分子模拟溶胀过程中PVA分子链的构象变化；b )溶胀后模拟盒子的尺寸变化；c-e ) PVA纤维、PVA-S80、PVA-S80-S的表面形貌。左幅图像的标尺为50 µm，右幅图像的标尺为10 µm。f-h ) PVA纤维、PVA-S80和PVA-S80-S的2D WAXS衍射图。

a-c ) PVA-S和PVA-S-S (盐浓度为1 m)的强度、模量和韧性比较。d )不同浓度盐溶液盐析处理后PVA-S80的模量和韧性比较。e ) PVA-S-S水凝胶纤维、PVA基水凝胶、其他水凝胶纤维和人体韧带的强度和模量比较。f ) PVA-S-S水凝胶纤维、不同强韧化策略的各向异性水凝胶和其他水凝胶纤维的强度和韧性比较。

a )荧光显微镜观察和 b)定量分析用 PVA-S70-S 提取物（样品 I）和去离子水中浸泡 24 小时后的 PVA-S70-S（样品 II）处理L929成纤维细胞24、48 和 72 小时的情况。绿色(荧光素二乙酸酯)和红色(碘化丙啶)染色分别表示活细胞和死细胞。c ) PVA-S70-S在PBS溶液中浸泡7 d前后的应力-应变曲线；d ) PVA-S70-S在PBS溶液中循环100 次后的强度。

论文信息

通讯作者：Meng Qin, Jiaqiang Qin