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《Acc. Mater. Res.》麻省理工赵选贺/哈佛张宇:功能性坚韧水凝胶:设计、加工和生物医学应用综述!

来源:高分子材料科学|

发表时间:2022-12-05

点击:2513

水凝胶是高含水量的软材料,具有广泛可调的物理化学特性,类似于软组织。具有良好生物相容性、合适的生物活性和受控几何形状的工程水凝胶取得了巨大进步,使其成为广泛应用的有希望的候选者。然而,传统的水凝胶通常具有较弱的机械性能,限制了它们在涉及承重和持久机械变形的生物医学环境中的使用。受生物组织的极端机械性能和多尺度层次结构的启发,已经开发出机械坚固的坚韧水凝胶。在功能性坚韧的水凝胶中结合稳健的机械性能和其他所需的性能特征,扩大了它们在生物医学领域的机会。该综述旨在引导读者了解功能性坚韧水凝胶的最新进展,重点是分子/结构设计和新型制造,特别是围绕课题组报告的作品。同时,讨论了用于多种生物医学应用的功能性坚韧水凝胶,强调了控制其相关应用的潜在机制。该团队首先从软材料力学的角度介绍坚韧水凝胶和水凝胶粘合剂的定义、测量和设计原则。通过将机械耗散构建到可拉伸水凝胶中以实现应力均匀化或能量耗散的各种分子和结构工程方法被用于制造坚韧的水凝胶。阐述了均质水凝胶的基于分子工程的网络结构设计和异质水凝胶的基于结构工程的设计。传统的基于能量耗散的坚韧水凝胶通过牺牲键或组分增强,导致后续加载循环中的韧性显着降低。



为此,已经开发了新的分子设计,包括高度缠结的水凝胶和滑环水凝胶,以解决韧性-滞后冲突。此外,还利用盐析、冷冻铸造和三维(生物)打印等新型加工技术来操纵多尺度结构和几何形状,以制造坚韧的水凝胶。作为近年来研究最活跃的一些材料,功能性坚韧的水凝胶在生物粘合剂/涂层、组织工程支架、软机器人/执行器和生物电子接口等方面具有广阔的应用前景。坚韧的生物粘合剂/涂层的开发在于在坚韧的水凝胶和底层基质之间构建牢固的界面连接,在伤口闭合和药物输送中具有广泛的应用。坚韧的水凝胶也被广泛研究用于组织工程和再生医学,尽管机械强度与细胞功能的冲突限制了它们的实际应用。灵活且柔顺的坚韧水凝胶具有刺激响应变形和压力触发驱动,使其成为处理软组织的生物医学设备的驱动器和软机器人的理想选择。导电坚韧的水凝胶也被广泛用于生物电子学中。最后,团队强调了主要挑战并强调了开发用于实际生物医学和医学应用的下一代功能性坚韧水凝胶的趋势。


图 1. 坚韧水凝胶的机理和机械测量。


图 2. 坚韧的水凝胶和生物粘合剂的分子和结构设计。


图 3. 用于制造具有增强机械性能的各向异性水凝胶的冷冻浇铸。



图 4. 功能性水凝胶的三维打印。



封面来源:图虫创意

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