傳統水凝膠往往較為脆弱，這種性質使其在對機械性能要求較高的領域應用受限。采用雙網絡水凝膠、摻入納米填料等方式來增強水凝膠，也僅有一定程度的改善。而依靠分子級別的聚合物網絡工程來提升水凝膠強度，無法達到天然承重組織那樣的強度。

相反，在水凝膠中構建分層結構的多維工程逐漸發展成為大幅提升機械性能的一種有潛力的替代方案。但遺憾的是，多數已報道的材料包含非生物相容性且不可生物降解的成分，這限制了它們在生物醫學支架方面的用途。由于生物相容性水凝膠強度低，而高強度水凝膠具有細胞毒性，所以利用生物相容性和可生物降解的材料通過多維分層工程構建堅固的水凝膠仍然是一項重大挑戰。

天然的承重材料在強度與韌性方面表現卓越。其優異的機械性能是源于多尺度的層次結構。就拿蜘蛛絲來說，它有著分層結構，在宏觀尺度上有纖維，微觀尺度上存在原纖維，分子尺度上則有蛛絲β-微晶，這使其具備多種耗散機制，強度和韌性都很出色。在蜘蛛絲紡絲時，借助對蛛絲相分離和剪切力的精準控制，微觀層次結構得以形成。從分子層面看，蜘蛛蛋白鏈經由離子交換和失水自組裝成為β-微晶。而殼聚糖（Chitosan, CS）的生物降解性和生物相容性良好，能夠自聚集成類似蜘蛛絲蛋白的微晶。這就啟發我們可以通過相分離和聚合物結晶在CS水凝膠里構建分級結構。

南方科技大學吳德成，劉洪梅教授團隊和中國科學院深圳先進技術研究院呂維加研究員團隊通過一種新的多維工程策略制備了一種分級CS纖維水凝膠（chitosan fibrous hydrogel，FHCS）。分別基于相分離和氫鍵重構建立了微觀層次和分子層次的體系結構。由此產生的層次FHCS具有極端的力學性能，斷裂強度達到47.0±2.4 MPa，斷裂韌性達到12.3±1.5 MJ?m-3，楊氏模量表現出5.6±2.4 MPa，同時保持約85%的水含量。此外，FHCS的力學行為類似于生物組織的“J形”應變強化和應變松弛，且具有類似于軟骨組織的力學性能。該工作以“Spider Silk Inspired Hierarchical Fibrous Hydrogels with Extreme Robustness via a Top-Down Multidimensional Engineering Strategy”為題于2024年12月發表于《Advanced Functional Materials》上。

【制備工藝】

靜電紡絲法制備宏觀FHPEO/CS纖維：最初引入聚環氧乙烷 （Poly (ethylene oxide)，PEO）以誘導PEO和CS的聚合物相分離，將PEO和CS在乙酸溶液中充分混合，形成PEO-CS復合物。PEO-CS復合物的形成可以屏蔽CS的正電荷，保證靜電紡絲的可加工性。然后將溶液轉移到靜電紡絲裝置中，得到PEO/CS纖維狀水凝膠（FHPEO/CS）纖維。

從FHPEO/CS到FHCS的轉變：通過水浸泡和隨后的干燥從FHPEO/CS中除去過量的PEO，使FHPEO/CS轉變為FHCS。

【文章亮點】

1.層次化結構設計：該研究通過模仿蜘蛛絲的自然層次化結構，成功構建了殼聚糖纖維水凝膠（FHCS）的宏觀、微觀和分子級層次化結構。這種設計顯著提升了水凝膠的機械性能，突破了傳統水凝膠的脆弱性限制。

2.自上而下的多維工程策略：研究提出了一種新穎的自上而下的多維工程策略，通過電紡絲和相分離等技術，逐步引入不同層次的結構。

3.良好的生物相容性和生物降解性：研究表明，FHCS具有良好的生物相容性和生物降解性，能夠支持細胞的附著和增殖，適合用于生物醫學領域的支架材料。

4.細胞表型調節能力：FHCS能夠通過機械傳導途徑調節細胞的幾何形狀和表型，促進細胞向有利于再生的表型轉化。這一特性為組織工程中的細胞行為調控提供了新的策略和方法。

圖1. 從蜘蛛絲中獲得分層 FHCS 的生物啟發以及通過靜電紡絲制備 FHPEO/CS 宏觀分層結構

圖2.PEO/CS相分離導致的FHPEO/CS“海島”結構

圖3.通過去除PEO和誘導FHCS微觀原纖維，從FHPEO/CS轉化為FHCS

圖4.氫鍵重構誘導的分子CS微晶

圖5.FHPEO/CS和FHCS的機械性

圖6.隨機/對齊FHCS的細胞表型調節

參考文獻：Z. Zhang,Y. Xian, D. Zhou, Y. Liu, C. Liu, W. W. Lu, H. Liu, D. Wu, Spider Silk Inspired Hierarchical Fibrous Hydrogels with Extreme Robustness via a Top-Down Multidimensional Engineering Strategy. Adv. Funct. Mater. 2024, 2420561.

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202420561

來源：生物醫學材料進展