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上海交通大学：水凝胶技术新突破，高强韧水凝胶材料唾手可得！

更新时间：2023-09-20

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水凝胶材料在生物医学领域展现了广阔的应用前景，成为当前最。受。关。注的生物材料。力学性能是材料的应用前提，然而水凝胶材料天生质弱，强度低、韧性差，成为限制其应用的瓶颈难题。多年来，国内外研究人员倾注大量的时间与精力，致力于攻克这一难题。可以说，在水凝胶领域，掌握了解决力学难题的核心技术，就拥有了开启应用之门的钥匙。特别是近几年，伴随着产业界对水凝胶材料的青睐，相关技术的临床转化俨然已进入白。热。化竞争阶段。然而时至今日，这一问题始终没有得到有效解决。尽管当前已有多种提升水凝胶力学性能的方法，例如双网络策略以及基于聚乙烯醇的结构优化策略，但这些方法无一例外涉及冗长制备流程或苛刻制备条件，限制了其临床转化应用。

为了攻克上述难题，上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组提出一种全新的、广泛适用的水凝胶交联技术。基于该技术，常规的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、多糖等，仅需数秒光照即可形成既强（15.3 MPa）又韧（138.0 MJ m^-3）的水凝胶材料，几乎颠。覆了水凝胶的制备与力学属性。更惊人的是，该水凝胶材料能够循环拉伸超过10万次，展示了无。与。伦。比的回弹性与耐疲劳性，完。全。能。够与非水体系的弹性体材料如橡胶、聚氨酯等相媲美。该技术的提出，意味着高强韧水凝胶材料的制备将从此变得轻而易举，赋予水凝胶生物医用广阔的想象空间。基于该技术突破，原本无法加工的高精密、复杂水凝胶器件（如支架、血管等），现皆可通过投影式光固化3顿打印技术进行加工制造。相关成果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels"为题发表于Nature Materials。第一作者为上海交通大学鲍丙坤博士、曾庆梅博士、李凯博士，以及华东理工大学温建锋教授，通讯作者为上海交通大学林秋宁研究员和朱麟勇教授。该工作得到华东理工大学涂善东院士团队在模拟计算、浙江大学贺永教授团队在3D打印方面的支持与帮助。

以聚乙二醇和透明质酸构筑的水凝胶为例，作者对该技术背后全新的“光偶联反应"原理进行了实验论证。在此过程中作者发现，该水凝胶形成了独。特的微观结构：呈现力学有利的微观相分离；其中，聚乙二醇形成连续相，模量较低，透明质酸聚合形成分散相，模量较高；两相通过“光偶联反应"建立牢固界面，实现两相完整一体化。有趣的是，该微观结构无需人为精心设计或小心调控，在光照下数秒内即可自发形成。正是因为此，水凝胶的凝胶化过程异常快速且条件温和，具备临床易操作属性、契合生物安全性要求，从而奠定了该技术临床转化应用的基础。

图1 水凝胶技术的交联反应原理

该技术的一个优势在于，构筑的水凝胶材料不仅力学性能出色，而且其性能参数在很大范围内可按需调节。例如，选择合适配比，水凝胶材料展现优异的拉伸能力，能够拉伸屈服至原始长度的28倍。此时，水凝胶材料的韧性高达138.0 MJ m^-3，比高韧性水凝胶材料的代表——双网络水凝胶——高出近一个数量级。如此高的韧性表现，甚至超越大多数金属与非金属材料，如高强度钢、尼龙、合成橡胶以及木材等，可以与蛛丝比肩。当配比改变，水凝胶亦可转变为不屈服的高强度材料，强度高达15.3 MPa。该强度代表已报道共价网络水凝胶的最。高。水。平。值得注意的是，无论在哪种配比下，该技术制备的水凝胶都能够兼顾强度与韧性性能，克服材料“强韧互斥"的普遍矛盾。

图2 水凝胶材料的力学性能

值得一提的是，上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授团队就本论文提出的“光偶联反应"原创凝胶技术进行了完整的知识产权布局，从原料、制备、配方、产物及其临床应用进行全面保护，截止目前，共申请中国、笔颁罢、美国、欧洲和日本等发明专。利20项，已授权中国发明专。利10项、美国发明专。利3项、日本发明专。利1项。基于此，团队开发了多款水凝胶墨水，可广泛应用于数字光处理（顿尝笔）、挤出式等3顿打印技术，用于加工制造高精度、复杂形状的水凝胶结构。同时，团队就该技术进行临床转化，当前已完成产物的工程化、安全性验证以及注册检验，定型了两款光固化医用胶产物，分别完成了多中心临床试验，并提交1项创新医疗器械申请。技术临床转化所依托的医疗科技公司已完成础轮融资。

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