高強度各向異性的仿肌肉木材水凝膠

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高強度各向異性的仿肌肉木材水凝膠材料前沿熱點。

關鍵詞：高強度、各向異性、木材、水凝膠、納米流體

目錄

應用領域

生物組織工程及納米流體

成果簡介

水凝膠由於其三維(3D)網絡結構、良好的靈活性、生物相容性和高含水量，已被廣泛應用於多種領域，尤其其獨特的結構和性能跟生物組織非常類似，是模仿天然組織用於生物醫學和生物工程應用的最佳候選材料之一，如藥物遞送、柔軟致動器、人工肌肉和軟骨等。 儘管水凝膠和人體生物組織之間有很多的相似性，但與生物軟組織中的水凝膠相比，人工合成水凝膠無論是在結構精度上還是在力學性能上都落後於生物系統。例如，合成水凝膠通常是通過聚合或分子組分的組裝而合成的，因此通常具有無定形和各向同性的結構，力學性能也相對較差。

近年來，通過定向冷凍、反應擴散過程、靜電排斥、應變或壓縮誘導的重定向和自組裝等方法製備了各種力學性能增強的各向異性水凝膠。但由於缺乏增強結構和有效的能量耗散機制，其力學強度大都達不到 10 MPa，結構也只是相對有序，生物相容性也有待提高。然而，有大量研究證明，大部分自然生物會通過選擇高度有序的各向異性結構來構造其承重組織，從而達到一種較高的機械性能，例如肌肉、皮膚和人造軟骨等組織。因此開發兼具良好生物相容性、高力學強度、高度仿生和結構導向的水凝膠具有重要的意義。

隨着化石資源的枯竭和人類對環境問題的關注，生物質資源的利用和高值化轉化，是當前綠色化學的重要課題。生物質因其良好的生物相容性及獨特的理化性質成為製備水凝膠的理想原料。尤其是纖維素基水凝膠，因體內沒有消化纖維素的酶，非常適合用於人體生物組織工程領域。因此，利用生物質為原料製備生物質基水凝膠不僅可以提高水凝膠的生物相容性，也是實現生物質高值化轉化和保護環境的有效途徑。木材是最豐富的生物質資源之一，全球森林覆蓋率達到了30%以上。木材由木質纖維素組成 (主要是纖維素、半纖維素和木質素)，具有分層的細胞結構、高度有序的各向異性結構和高力學性能，跟人體生物組織有較多的類似性。 基於目前傳統水凝膠存在的生物相容性差、力學性能差和結構無序等問題以及對生物質資源的高值化轉化的需求，並受到肌肉各向異性結構的啟發，該成果將強而硬的木材進行木質素全脫除處理，使得木質素包裹的纖維素暴露出大量的羥基同時保留納米纖維素定性排列結構並引入到聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠中，製備了一種獨特的具有良好生物相容性、高度各向異性、高強度、高透明度、高離子導電的木材水凝膠。

研究表明，有序纖維素納米纖維與聚合物分子鏈之間存在較強的氫鍵作用和交聯結構，使得木材水凝的拉伸強度高達36 MPa, 高於很多傳統的水凝膠，可以跟人體的皮膚和軟骨拉伸強度相媲美，是目前報道的強度最高的水凝膠之一。此外，由有序納米纖維素帶有負電，該木材水凝膠還可以作為納米流體管道實現類似海水淡化及生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能，在低濃度的電導率為5×10-4 S/cm。該成果受自然啟發的設計從模仿人體肌肉排列的微觀結構開始，該材料能夠平衡機械強度、靈活性、離子電導率和可伸縮製造。此外，通過改變水凝膠溶液，可以很容易地調節水凝膠的力學性能和功能，為製備各種各向異性水凝膠提供了一種有前途的方法，大大擴大其應用範圍。

經濟效益與社會效益

各向異性木材水凝膠具有價格低廉、柔韌性好、生物相容性好、抗拉強度高、光學透明性好、離子導電性好等優點，在生物醫學器件、組織工程等軟性材料等領域具有廣泛的實際應用。同時，實現了對生物質資源（木材、農業廢棄物和海洋材料）的綠色和高值化轉化，具有重要的經濟和環境效益。