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《先進材料》:北海道大學研究人員制備出媲美韌帶的纖維狀結構水凝膠
發布日期:2018-01-19  來源:高分子科學前沿  瀏覽次數:2891
 
   自然界的材料往往由納米尺度到宏觀尺度的多層次結構組成,比如肌腱和軟骨。如何用簡單的方法構筑具有多級纖維結構的各向異性水凝膠是目前最具挑戰的研究方向。
 
  北海道大學龔劍萍教授課題組通過生物啟發,采用限域干燥法,制備出一種具有完美排列多尺度分層排列的纖維結構水凝膠,性能可以媲美軟骨和肌腱。相關成果于1月17日以題為“A Facile Method to Fabricate Anisotropic Hydrogels with Perfectly Aligned Hierarchical Fibrous Structures”發表在《先進材料》雜志上。
 
  限域干燥法制備多級纖維狀結構水凝膠具體的來說,包括以下四個步驟。(Ⅰ)將具有形成纖維所需氫鍵位點的物理凝膠,用夾具夾住凝膠的兩端;(Ⅱ)將凝膠留在空氣中晾干。由于干燥過程中凝膠在寬度和厚度方向發生收縮。由于長度方向的收縮受到夾具限制而受到張力,從而使聚合物鏈在長度方向上取向。在干燥過程中,當聚合物的密度達到形成纖維的濃度時,在沿拉伸方向上,由于氫鍵的作用形成直徑較小的纖維;(Ⅲ)進一步干燥過程中,納米纖維聚集形成纖維聚集體,重復這一過程得到具有多級結構的纖維狀結構水凝膠;(Ⅳ)最后,將纖維狀水凝膠再次溶脹,再次溶脹后的凝膠保持了由于穩定氫鍵形成的纖維狀結構,至此得到了纖維狀結構水凝膠。
 
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圖1.設計策略。限域干燥法(DDC)制備多級纖維狀結構水凝膠的示意圖
 
  接下來作者對比了不同制備過程的藻酸鈣凝膠、纖維素凝膠,包括:初始溶脹后的樣品,自然干燥的凝膠和不同預拉伸下DDC法制備的凝膠的機械性能。其中100%預拉伸下的DDC-纖維素凝膠模量達到342MPa,斷裂強度為53MPa。采用DDC法制備的纖維狀結構水凝膠性能碾壓自然干燥下的水凝膠,力學性能可媲美膝蓋韌帶。
 
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掃描電鏡下DDC法制備的藻酸鈣凝膠的微觀形貌及機械性能:

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掃描電鏡下DDC法制備的纖維素凝膠的微觀形貌及機械性能:
 
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        總結:作者開發出一直簡單易行的制備規則排列的多層級結構纖維狀各向異性水凝膠,為開發生物醫用放生材料提供了新的思路。
 
 
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