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  近日，上海交通大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究院劉盡堯研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院眼科龐燕課題組在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表題為“Swelling-strengthening hydrogels by embedding with deformable nanobarriers”的研究論文，為再生醫(yī)學(xué)提供新型水凝膠材料。

  作為最類似于生物組織的高分子材料，水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢，但水凝膠溶脹致使力學(xué)性能大幅下降的問題，極大地限制了其在潮濕及體內(nèi)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。已有的策略均是通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或表面調(diào)控來抑制溶脹，間接地避免溶脹力學(xué)性能下降問題，直面溶脹、解決溶脹后力學(xué)性能下降問題的報(bào)道目前還沒有。

  為解決該問題，劉盡堯研究員團(tuán)隊(duì)受肌肉充血增強(qiáng)機(jī)制啟發(fā)，摒棄了提高水凝膠力學(xué)性能的傳統(tǒng)方法，在單網(wǎng)絡(luò)水凝膠中引入模仿生物膜的脂質(zhì)體納米屏障、構(gòu)建成千上萬的納米“隔離島”，并將形成第二網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)劑預(yù)先隔離在其中，僅僅利用溶脹觸發(fā)脂質(zhì)體膜發(fā)生跨膜運(yùn)輸、釋放交聯(lián)劑發(fā)生高效點(diǎn)擊反應(yīng)，使水凝膠從單網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成雙網(wǎng)絡(luò)，從而保持水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，開發(fā)出溶脹增強(qiáng)的水凝膠（圖一）。

圖一 引入模仿生物膜的脂質(zhì)體納米屏障構(gòu)建溶脹增強(qiáng)水凝膠

  在該研究中，作者分別在體外和體內(nèi)驗(yàn)證了水凝膠的溶脹增強(qiáng)行為。在體外，當(dāng)溶脹度為25%時，水凝膠的壓縮模量增加了15.6% ± 4.5，甚至當(dāng)溶脹度繼續(xù)增加到75%時，水凝膠也仍能保持其初始機(jī)械強(qiáng)度。而在體內(nèi)，當(dāng)溶脹度增加到50%時，水凝膠的壓縮模量從16.2 ± 0.5 MPa增加到18.9 ± 0.9 MPa，隨著溶脹度進(jìn)一步增加到 85%，水凝膠的壓縮模量也比未溶脹的模量高出1.09倍（圖二）。作者認(rèn)為，通過選擇合適的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)水凝膠在完全溶脹狀態(tài)下依然能保持甚至超過原有的力學(xué)強(qiáng)度。

圖二 在大鼠體內(nèi)驗(yàn)證溶脹增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能

  該工作不僅直接解決了溶脹后水凝膠力學(xué)性能下降問題，也為在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)水凝膠各項(xiàng)性能的“自我調(diào)控”、進(jìn)而發(fā)展長效、動態(tài)水凝膠材料提供了新思路。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18308-9