高強度和抗溶脹的水凝膠材料制作仿生軟骨

　　軟骨是人體關節的保護性組織，因其內部基質為凝膠態，表現出優異的彈性和抗溶脹性。關節軟骨受損后，功能逐漸喪失，會嚴重影響人體的運動功能，因此在仿生材料領域，關節軟骨替代材料的研究越來越受到研究者們的青睞。其中，水凝膠材料因其與軟骨接近的網絡結構，已成為仿生軟骨材料領域研究最廣泛的體系之一。然而，常規水凝膠的溶脹性以及溶脹帶來的機械性能下降，很大程度上限制了其在仿生軟骨材料領域的應用。

　　圖1. 聚乙烯醇/植酸鈉水凝膠仿生關節軟骨結構示意圖

　　最近，哈爾濱工程大學張馨月、馬寧研究小組結合前期的工作基礎，基于植酸鈉和聚乙烯醇之間強的相互作用，并結合壓制成型和浸泡等過程，設計制備了一種高強度和抗溶脹的水凝膠材料。如圖1所示，一方面，植酸鈉與聚乙烯醇分子間可以形成強的氫鍵，在凝膠網絡里形成大量物理交聯點；另一方面，植酸鈉的離子強度對聚乙烯醇分子鏈有鹽析的效應，使聚乙烯醇分子在凝膠網絡中形成結晶微區，進一步提高了水凝膠的機械性能。該水凝膠在水、酸、堿及鹽溶液中 3 天的溶脹率小于 5%，是一種具有較強環境適應性的理想仿生軟骨材料。

　　圖2. 聚乙烯醇/植酸鈉水凝膠的制備過程及相關實物圖

　　本工作中，水凝膠材料的制備方法具有一定的特色。如圖2所示，植酸鈉與聚乙烯醇混合產生白色沉淀，經過加熱、壓制成型、冷卻、浸泡等處理后就可以得到強度高（斷裂應力 7MPa，斷裂伸長率 600%）， 光學透明度好（透過率 70%）的水凝膠材料。這種壓制成型的方式，可以很簡單的實現不規則形狀水凝膠的制備，無疑是根據人體各個關節的軟骨形狀，而個性化訂制其替代材料的最有利的方式。

　　圖3. 聚乙烯醇/植酸鈉水凝膠的抗溶脹性及離子導電性質

　　聚乙烯醇/植酸鈉水凝膠是以植酸鈉作為一種主要原料制備的，其內部存在大量自由移動的鈉離子，在電場作用下，鈉離子的定向移動賦予了水凝膠離子電導性。如圖3所示，將該水凝膠通過壓制成手指狀時，可用來模擬人手操控手機屏幕，在手機畫板上書寫出“HEU”文字。而將該水凝膠組裝成應變傳感器貼附在“模型手”的手指關節處時，可以從電化學數據中觀察到“模型手”的運動行為，并且這種對關節運動的傳感性能具有較好的穩定性，說明該水凝膠作為一種仿生軟骨材料使用時，其可以對外界刺激做出穩定的響應行為。可以預見，這種聚乙烯醇/植酸鈉水凝膠在組織工程和智能可穿戴器件領域有著廣泛的應用前景。