麻省理工学院赵选贺《自然·子刊》有序纳米结构提高水凝胶抗疲劳粘接软骨修复

在许多动物的骨骼中，软性结缔组织（肌腱，韧带和软骨）在骨骼上的附着力可以在几百万次的机械载荷循环中保持高韧性（约800 Jm-2）。这是通过过渡界面（图1a）实现肌腱、韧带和软骨骨骼之间粘附，界面从未钙化的胶原纳米纤维（i）到钙化的胶原纳米纤维（ii）再到骨骼（iii）（图1b）。在界面处（ii）中，纳米结构排列的胶原蛋白纳米纤丝的复合材料和有序羟磷灰石纳米晶体附着在骨头上，使肌腱、韧带与软骨骨头产生耐疲劳粘连（图1b）。受腱/韧带/软骨与骨骼之间的纳米结构界面的启发，麻省理工学院赵选贺团队通过将有序的纳米结构（如，纳米晶域）附着在工程材料上合成抗疲劳水凝胶（图1c）。作者选择聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为模型材料系统，PVA可形成具有可调节结晶度的纳米结构（如，纳米晶体域和纳米原纤维）。通过干退火处理将纳米晶域固定在固体基质上，使水凝胶与基质之间抗疲劳粘合。

图1：抗疲劳水凝胶粘合的设计。a)软结缔组织（软骨，肌腱和韧带）与骨骼之间的抗疲劳粘连示意图。b)从未钙化的胶原纳米纤维（i）到钙化的纳米纤维（ii）到骨骼（iii）的过渡界面。c)将有序的高能纳米结构固定在工程材料上合成抗疲劳水凝胶。d)聚乙烯醇（PVA）水凝胶附着在基体上。

1、耐疲劳水凝胶的机械特性

作者首先通过冻融工艺在各种固体基质上形成低结晶度的PVA水凝胶，固体基质包括玻璃，陶瓷，钛，铝，不锈钢，聚氨酯（PU）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。然后干燥、退火来大幅提高水凝胶内的结晶。有序纳米晶畴与固体表面之间在干退火过程中形成氢键（图1d）。作者以90°单个周期和多个循环负载下剥离粘附水凝胶测试来衡量的界面韧性Γ（图 2a）和界面疲劳阈值Γ0（图2c）。界面裂纹扩展速率为dc/dN。抗疲劳水凝胶粘附在去离子水（图2d）和磷酸盐缓冲盐水中的疲劳阈值为800Jm-2。同时，作者在30,000次循环的耐疲劳水凝胶粘附力上施加800 Jm-2的能量释放速率时未观察到界面裂纹扩展（图2f）。此外，当施加的能量释放速率高于界面疲劳阈值时，界面疲劳裂纹可能会逐渐变大并导致块状水凝胶疲劳断裂（图2e）。PVA块状水凝胶中纳米晶域的高密度使其具有高断裂韧性（即1000 Jm-2）及高界面疲劳阈值（800 Jm-2）。耐疲劳水凝胶粘附还可用于不同的固体基质（图2g），包括陶瓷（Γ0=470 Jm-2），钛（Γ0=225 Jm-2），铝（Γ0=370 Jm-2），不锈钢（Γ0= 330 Jm-2），PU（Γ0=420 Jm-2）和PDMS（Γ0=150 Jm-2）。

图2：抗疲劳水凝胶粘附力的机械性能。a)在水中的单个加载循环期间剥离力F与位移曲线的示意图。b)每单位宽度的剥离力（F / W）与于玻璃基板上水凝胶粘附力的位移代表性曲线。c)循环剥离试验中界面裂纹扩展c与循环数N的示意图。d)裂纹扩展率图（dc/dN）与施加的能量释放速率的关系。e)在200 Jm-2的能量释放速率时水凝胶粘附循环剥离试验中的界面裂纹扩展图像。f)在800 Jm-2的能量释放速率时凝胶粘附的循环剥离试验中的界面裂纹扩展图像。g)在其他基材上水凝胶粘附力的界面韧性和界面疲劳阈值。

2、抗疲劳水凝胶粘附的机理

作者通过改变玻璃基板上PVA水凝胶的退火时间来研究抗疲劳水凝胶粘附机理。没有退火的水凝胶在水合作用时很容易从基材上分离。退火时间从0增加到90分钟时，水凝胶粘附的界面疲劳阈值从0增加到800 Jm-2，退火提高PVA水凝胶结晶度（溶胀状态从12.1增至33.7 wt％）并降低水含量（从67降低至37 wt％）。尽管冻融过程对水凝胶中的纳米晶体成核至关重要，但是改变PVA水凝胶的冻融周期并不会改变粘附性能。作者对退火前后（90分钟）粘附在玻璃基板上的PVA样品进行二维（2D）入射广角X射线散射（GIWAXS）测量。退火之前的样品在GIWAXS（图3c，e）显示出在相同强度不同方位角的非均匀散射环θ，说明纳米晶体的无规则方向（图3a）。退火后的样品在GIWAXS中具有弧状散射特征，其强散射主要沿水凝胶-固体界面的法线方向排列（图3d，f）。这说明纳米晶域倾向平行于界面，界面处的密集堆积和定向的纳米晶域可以共同有效地将裂纹扩展固定在水凝胶-固体界面上。

图3：抗疲劳水凝胶粘附的机理。退火前（a）和退火后（b）（100°C，90分钟）的耐疲劳水凝胶粘附的纳米晶体结构示意图。（c）和（d）退火后的抗疲劳水凝胶粘附的GIWAXS模式。PVA水凝退火之前（e）和之后（f），GIWAXS在10°，30°，60°，和80°方位角的散射。

作者用全原子分子动力学（MD）模拟来量化形成纳米晶畴对界面疲劳阈值的影响。如图4a，由于大量氢键动态断裂和重整，PVA聚合物链以粘滑方式从纳米晶域中拉出。尽管单个氢键的强度较弱，但纳米晶体中的多个氢键协同，最大拉拔力为6 nN（图4d，PVA-PVA），略高于使非晶PVA链断裂的力（5.8nN, Fig. 4c, f, PVA）。此外，拔出需要30 nm的位移（PVA链的轮廓长度），而断裂仅需要3.2 nm的位移（轮廓长度的10％）。因此，氢键的协同断裂需要比拉断相同轮廓长度（6000 kJ mol-1的非晶态PVA链）更高的应变能（50,000 kJ mol-1）才能拉出PVA链。此外，拉出纳米晶体-玻璃界面之间的PVA链所需的能量（70,000 kJ mol-1，图4b，e，g，PVA-SiO 2）要比独立的纳米晶体高（50,000 kJ mol-1）。因此，在界面上和整体水凝胶内部引入纳米晶域可协同确保水凝胶-固体界面具有极高的抗疲劳性。

图4：模拟抗疲劳水凝胶粘附机理。a)分子动力学模拟以不同的施加位移从纳米晶体域（PVA-PVA）中拉出PVA聚合物链的图像序列。b)在不同的施加位移下从纳米晶体-基底界面（PVA-PVA）拉出PVA聚合物链的图像序列。c)在不同的施加位移下拉伸无定形PVA聚合物链（PVA）直至断裂的图像序列。d-f)从纳米晶体域（PVA–PVA）、纳米晶体-基底界面（PVA-SiO 2，e）中拉出一条PVA聚合物链，并拉出一条无定形的PVA聚合物链直到断裂（PVA，f）。g)从纳米晶体域（PVA–PVA）中拉出PVA聚合物链、从纳米晶体-基底界面（PVA–SiO 2）中拉出PVA聚合物链并拉出非晶态PVA聚合物链直到断裂（PVA）时，应变能与施加的位移的关系。

3、抗疲劳水凝胶粘合的潜在应用

作者通过浸涂，冻融和干退火工艺在一组材料和设备（玻璃光纤，玻璃管，不锈钢弹簧，叶形弹性体和球窝金属接头）涂上水凝胶层。水凝胶可均匀的涂在具有各种尺寸、曲率的设备上，涂层薄，厚度仅约20μm。

图5：具有复杂几何形状的各种材料上的抗疲劳水凝胶涂层。