摘要:
高强度、高模量、高韧性的水凝胶在人工人体承重组织领域具有巨大的应用潜力，但制备具有上述高性能的材料仍是一个巨大的挑战.本文提出了一种有序-无序（OTD）转变的结构构建策略，以获得高强度、高模量和高韧性的水凝胶纤维。OTD的结构构建策略是指PVA聚合物纤维中的分子链段通过溶胀和随后的盐析处理从有序到无序的转变，同时仍保持整个聚合物链的一般有序性。PVA分子链微晶提供物理交联以稳定结构。结果表明，该水凝胶纤维的断裂伸长率可达257%。强度达到190.04MPa，是人体韧带强度的4倍多。模量达到137.31 MPa，与人体韧带完美匹配，韧性可达100.61 MJ m−3。此外，它在液体环境中具有稳定的力学性能和优良的生物相容性，在人工韧带领域具有很大的应用潜力.这种OTD结构构建策略提供了一种获得具有所需机械性能的水凝胶纤维的简便方法。
机理：
本文提出了一种有序-无序（OTD）结构构建策略，即以高度取向的纤维为原料，构建整个分子链的有序结构和分子链段的无序结构。通过溶胀高度取向的聚合物纤维，纤维的高度有序结构被破坏。由于光纤的限制效应，溶胀并不改变整个分子链的方向，而只是使分子链段无序化。然后，使用具有霍夫迈斯特效应的盐进行盐析，以重建局部无序结构。最终得到坚韧的水凝胶纤维。设计路线如图1a所示。
图文简介
图1 ：a）制备强且坚韧的水凝胶纤维的图。B）水凝胶纤维在不同温度下的径向溶胀比。（3）随着温度的升高，溶胀PVA水凝胶纤维（PVA-S）的横截面形态，以及盐析后的水凝胶纤维（PVA-S-S）的横截面形态。S后的数字表示溶胀温度。比例尺为1 μm。（4）PVA纤维的相对结晶度，以及PVA-S和PVA-S-S在不同溶胀温度下的相对结晶度。
图2：a）溶胀过程中PVA分子链构象变化的分子模拟; B）溶胀后模拟盒的尺寸变化。c-e）PVA纤维、PVA-S80和PVA-S80-S的表面形态。左图比例尺为50 μm，右图比例尺为10 μm。f-h）分别为PVA纤维、PVA-S80和PVA-S80-S的2D WAXS衍射图。
图3 ：a-c）PVA-S和PVA-S-S（盐浓度为1 m3）的强度、模量和韧性的比较。d）PVA-S80经不同浓度盐溶液盐析处理后的模量和韧性。e）比较PVA-S-S水凝胶纤维、PVA基水凝胶、其它水凝胶纤维和人韧带的强度和模量。f）比较了PVA-S-S水凝胶纤维、具有不同增强和增韧策略的各向异性水凝胶以及其他水凝胶纤维的强度和韧性。
图4 ：a）荧光显微镜检查和B）定量分析用PVA-S70-S（样品I）和在去离子水中浸泡24小时后用PVA-S70-S（样品II）的提取物处理24、48和72小时的L929成纤维细胞。绿色（荧光素二乙酸酯）和红色（碘化丙啶）染色分别表示活细胞和死细胞。比例尺为200 μm。c）PVA-S70-S在PBS溶液中浸泡7天之前和之后的应力-应变曲线。d）PVA-S70-S在PBS溶液中100次循环后的强度。
结论
综上所述，以预制的高取向纤维为原料，通过OTD结构构建策略制备了坚韧水凝胶纤维。该水凝胶纤维具有高强度、高模量、高韧性和机械稳定性，同时保持一定的拉伸性能。高的取向度和结晶度限制了纤维的拉伸性，而适度控制溶胀度可以调节水凝胶纤维的聚集结构和取向度。由于纤维的限制效应，分子的整个链的头尾方向一致，而链段是无序的。然后利用霍夫迈斯特效应将无序链段重新聚集，形成物理交联点固定结构。可优化水凝胶纤维的机械性能，同时提高其在液体环境中的机械稳定性。本文以聚乙烯醇聚合物为例，证明了通过有序-无序结构策略可以得到高强度、高模量、高韧性的水凝胶纤维。由于取向聚合物的溶胀并不限于PVA纤维，而且存在于其他亲水性纤维中，我们相信所提出的策略并不限于本文中所描述的系统。这一策略有望突破水凝胶纤维强度和模量的上限，使原本脆弱的水凝胶能够应用于医疗、致动器、智能穿戴设备等领域
制备
PVA纤维的制备：根据先前报道的方法制备PVA纤维。简而言之，将水增塑的PVA粉末倒入熔融纺丝机中并从圆形纺丝机纺丝，然后进行热拉伸（拉伸比> 5）和热定形。
PVA水凝胶纤维的制备：将PVA纤维在65 ° C、70 ° C、75 ° C、77.5 ° C和80 °C下浸入去离子水中10分钟，并且将唯一溶胀的水凝胶纤维命名为PVA-S（S之后的数字是指溶胀温度）。将溶胀的水凝胶纤维在室温下浸入柠檬酸钠溶液中24 h，得到PVA-S-S水凝胶纤维。
DOI: 10.1002/adfm.202415737
注：文章内容仅代表小编观点，如有侵权请联系小编修改或删除！
