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上海交通大学:水凝胶技术新突破,高强韧水凝胶材料唾手可得!

更新时间:2023-09-20      点击次数:471
水凝胶材料在生物医学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。力学性能是材料的应用前提,然而水凝胶材料天生质弱,强度低、韧性差,成为限制其应用的瓶颈难题。多年来,国内外研究人员倾注大量的时间与精力,致力于攻克这一难题。可以说,在水凝胶领域,掌握了解决力学难题的核心技术,就拥有了开启应用之门的钥匙。特别是近几年,伴随着产业界对水凝胶材料的青睐,相关技术的临床转化俨然已进入白。热。化竞争阶段。然而时至今日,这一问题始终没有得到有效解决。尽管当前已有多种提升水凝胶力学性能的方法,例如双网络策略以及基于聚乙烯醇的结构优化策略,但这些方法无一例外涉及冗长制备流程或苛刻制备条件,限制了其临床转化应用。



为了攻克上述难题,上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇授课题组提出一种全新的、广泛适用的水凝胶交联技术。基于该技术,常规的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、多糖等,仅需数秒光照即可形成既强(15.3 MPa)又韧(138.0 MJ m^-3)的水凝胶材料,几乎颠。覆了水凝胶的制备与力学属性。更惊人的是,该水凝胶材料能够循环拉伸超过10万次,展示了无。与。伦。比的回弹性与耐疲劳性,完。全。能。够与非水体系的弹性体材料如橡胶、聚氨酯等相媲美。该技术的提出,意味着高强韧水凝胶材料的制备将从此变得轻而易举,赋予水凝胶生物医用广阔的想象空间。基于该技术突破,原本无法加工的高精密、复杂水凝胶器件(如支架、血管等),现皆可通过投影式光固化3D打印技术进行加工制造。相关成果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels"为题发表于Nature Materials。第一作者为上海交通大学鲍丙坤博士、曾庆梅博士、李凯博士,以及华东理工大学温建锋教授,通讯作者为上海交通大学林秋宁研究员和朱麟勇教授。该工作得到华东理工大学涂善东院士团队在模拟计算、浙江大学贺永教授团队在3D打印方面的支持与帮助。

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以聚乙二醇和透明质酸构筑的水凝胶为例,作者对该技术背后全新的“光偶联反应"原理进行了实验论证。在此过程中作者发现,该水凝胶形成了独。特的微观结构:呈现力学有利的微观相分离;其中,聚乙二醇形成连续相,模量较低,透明质酸聚合形成分散相,模量较高;两相通过“光偶联反应"建立牢固界面,实现两相完整一体化。有趣的是,该微观结构无需人为精心设计或小心调控,在光照下数秒内即可自发形成。正是因为此,水凝胶的凝胶化过程异常快速且条件温和,具备临床易操作属性、契合生物安全性要求,从而奠定了该技术临床转化应用的基础。

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图1 水凝胶技术的交联反应原理

该技术的一个优势在于,构筑的水凝胶材料不仅力学性能出色,而且其性能参数在很大范围内可按需调节。例如,选择合适配比,水凝胶材料展现优异的拉伸能力,能够拉伸屈服至原始长度的28倍。此时,水凝胶材料的韧性高达138.0 MJ m^-3,比高韧性水凝胶材料的代表——双网络水凝胶——高出近一个数量级。如此高的韧性表现,甚至超越大多数金属与非金属材料,如高强度钢、尼龙、合成橡胶以及木材等,可以与蛛丝比肩。当配比改变,水凝胶亦可转变为不屈服的高强度材料,强度高达15.3 MPa。该强度代表已报道共价网络水凝胶的最。高。水。平。值得注意的是,无论在哪种配比下,该技术制备的水凝胶都能够兼顾强度与韧性性能,克服材料“强韧互斥"的普遍矛盾。

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图2 水凝胶材料的力学性能

值得一提的是,上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授团队就本论文提出的“光偶联反应"原创凝胶技术进行了完整的知识产权布局,从原料、制备、配方、产品及其临床应用进行全面保护,截止目前,共申请中国、PCT、美国、欧洲和日本等发明专。利20项,已授权中国发明专。利10项、美国发明专。利3项、日本发明专。利1项。基于此,团队开发了多款水凝胶墨水,可广泛应用于数字光处理(DLP)、挤出式等3D打印技术,用于加工制造高精度、复杂形状的水凝胶结构。同时,团队就该技术进行临床转化,当前已完成产品的工程化、安全性验证以及注册检验,定型了两款光固化医用胶产品,分别完成了多中心临床试验,并提交1项创新医疗器械申请。技术临床转化所依托的医疗科技公司已完成A轮融资。

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