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上海交通大學(xué)：水凝膠技術(shù)新突破，高強(qiáng)韌水凝膠材料唾手可得,！

閱讀：902 發(fā)布時(shí)間：2023-8-23

水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景,，成為當(dāng)前最。受,。關(guān),。注的生物材料。力學(xué)性能是材料的應(yīng)用前提，然而水凝膠材料天生質(zhì)弱,，強(qiáng)度低,、韌性差，成為限制其應(yīng)用的瓶頸難題,。多年來(lái),，國(guó)內(nèi)外研究人員傾注大量的時(shí)間與精力,，致力于攻克這一難題,。可以說(shuō),，在水凝膠領(lǐng)域,，掌握了解決力學(xué)難題的核心技術(shù)，就擁有了開(kāi)啟應(yīng)用之門(mén)的鑰匙,。特別是近幾年,，伴隨著產(chǎn)業(yè)界對(duì)水凝膠材料的青睞，相關(guān)技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化儼然已進(jìn)入白,。熱,。化競(jìng)爭(zhēng)階段,。然而時(shí)至今日,，這一問(wèn)題始終沒(méi)有得到有效解決。盡管當(dāng)前已有多種提升水凝膠力學(xué)性能的方法,，例如雙網(wǎng)絡(luò)策略以及基于聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,，但這些方法無(wú)一例外涉及冗長(zhǎng)制備流程或苛刻制備條件，限制了其臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用,。

為了攻克上述難題,，上海交通大學(xué)林秋寧研究員/朱麟勇教授課題組提出一種全新的、廣泛適用的水凝膠交聯(lián)技術(shù),?；谠摷夹g(shù)，常規(guī)的水溶性高分子如聚乙二醇,、聚丙烯酰胺,、聚丙烯酸、多糖等,，僅需數(shù)秒光照即可形成既強(qiáng)（15.3 MPa）又韌（138.0 MJ m^-3）的水凝膠材料,，幾乎顛。覆了水凝膠的制備與力學(xué)屬性,。更驚人的是,，該水凝膠材料能夠循環(huán)拉伸超過(guò)10萬(wàn)次，展示了無(wú)。與,。倫,。比的回彈性與耐疲勞性，完,。全,。能。夠與非水體系的彈性體材料如橡膠,、聚氨酯等相媲美,。該技術(shù)的提出，意味著高強(qiáng)韌水凝膠材料的制備將從此變得輕而易舉,，賦予水凝膠生物醫(yī)用廣闊的想象空間,。基于該技術(shù)突破,，原本無(wú)法加工的高精密,、復(fù)雜水凝膠器件（如支架、血管等）,，現(xiàn)皆可通過(guò)投影式光固化3D打印技術(shù)進(jìn)行加工制造,。相關(guān)成果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels"為題發(fā)表于Nature Materials。第一作者為上海交通大學(xué)鮑丙坤博士,、曾慶梅博士,、李凱博士，以及華東理工大學(xué)溫建鋒教授,，通訊作者為上海交通大學(xué)林秋寧研究員和朱麟勇教授,。該工作得到華東理工大學(xué)涂善東院士團(tuán)隊(duì)在模擬計(jì)算、浙江大學(xué)賀永教授團(tuán)隊(duì)在3D打印方面的支持與幫助,。

以聚乙二醇和透明質(zhì)酸構(gòu)筑的水凝膠為例,，作者對(duì)該技術(shù)背后全新的“光偶聯(lián)反應(yīng)"原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。在此過(guò)程中作者發(fā)現(xiàn),，該水凝膠形成了獨(dú),。特的微觀結(jié)構(gòu)：呈現(xiàn)力學(xué)有利的微觀相分離；其中,，聚乙二醇形成連續(xù)相,，模量較低，透明質(zhì)酸聚合形成分散相,，模量較高,；兩相通過(guò)“光偶聯(lián)反應(yīng)"建立牢固界面，實(shí)現(xiàn)兩相完整一體化,。有趣的是,，該微觀結(jié)構(gòu)無(wú)需人為精心設(shè)計(jì)或小心調(diào)控,，在光照下數(shù)秒內(nèi)即可自發(fā)形成。正是因?yàn)榇?，水凝膠的凝膠化過(guò)程異?？焖偾覘l件溫和，具備臨床易操作屬性,、契合生物安全性要求,，從而奠定了該技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖1 水凝膠技術(shù)的交聯(lián)反應(yīng)原理

該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于,，構(gòu)筑的水凝膠材料不僅力學(xué)性能出色,，而且其性能參數(shù)在很大范圍內(nèi)可按需調(diào)節(jié)。例如,，選擇合適配比,，水凝膠材料展現(xiàn)優(yōu)異的拉伸能力，能夠拉伸屈服至原始長(zhǎng)度的28倍,。此時(shí)，水凝膠材料的韌性高達(dá)138.0 MJ m^-3,，比高韌性水凝膠材料的代表——雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠——高出近一個(gè)數(shù)量級(jí),。如此高的韌性表現(xiàn)，甚至超越大多數(shù)金屬與非金屬材料,，如高強(qiáng)度鋼,、尼龍、合成橡膠以及木材等,，可以與蛛絲比肩,。當(dāng)配比改變，水凝膠亦可轉(zhuǎn)變?yōu)椴磺母邚?qiáng)度材料,，強(qiáng)度高達(dá)15.3 MPa,。該強(qiáng)度代表已報(bào)道共價(jià)網(wǎng)絡(luò)水凝膠的最。高,。水,。平。值得注意的是,，無(wú)論在哪種配比下,，該技術(shù)制備的水凝膠都能夠兼顧強(qiáng)度與韌性性能，克服材料“強(qiáng)韌互斥"的普遍矛盾,。

圖2 水凝膠材料的力學(xué)性能

值得一提的是，上海交通大學(xué)林秋寧研究員/朱麟勇教授團(tuán)隊(duì)就本論文提出的“光偶聯(lián)反應(yīng)"原創(chuàng)凝膠技術(shù)進(jìn)行了完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局,，從原料,、制備,、配方、產(chǎn)品及其臨床應(yīng)用進(jìn)行全面保護(hù),，截止目前,，共申請(qǐng)中國(guó)、PCT,、美國(guó),、歐洲和日本等發(fā)明專(zhuān)。利20項(xiàng),，已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān),。利10項(xiàng)、美國(guó)發(fā)明專(zhuān),。利3項(xiàng),、日本發(fā)明專(zhuān)。利1項(xiàng),?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了多款水凝膠墨水,，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字光處理（DLP）,、擠出式等3D打印技術(shù)，用于加工制造高精度,、復(fù)雜形狀的水凝膠結(jié)構(gòu),。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)就該技術(shù)進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化,，當(dāng)前已完成產(chǎn)品的工程化,、安全性驗(yàn)證以及注冊(cè)檢驗(yàn)，定型了兩款光固化醫(yī)用膠產(chǎn)品,，分別完成了多中心臨床試驗(yàn),，并提交1項(xiàng)創(chuàng)新醫(yī)療器械申請(qǐng)。技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化所依托的醫(yī)療科技公司已完成A輪融資,。

摩方精密作為微納3D打印的先,。行。者和領(lǐng),。導(dǎo),。者，擁有全,。球,。領(lǐng)。先的超高精度打印系統(tǒng),，其面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)可應(yīng)用于精密電子器件,、醫(yī)療器械,、微流控、微機(jī)械等眾多科研領(lǐng)域,。在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域,，摩方團(tuán)隊(duì)擁有超過(guò)二十年的科研及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)客戶(hù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題,，摩方將持續(xù)提供簡(jiǎn)易高效的技術(shù)支持方案,。

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上海交通大學(xué)：水凝膠技術(shù)新突破，高強(qiáng)韌水凝膠材料唾手可得,！

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