北海道大學龔劍萍教授《Mater. Horiz.》：內循環助力雙網絡水凝膠可持續機械化學增長
肌肉增長在微觀上是肌纖維受力撕裂后重塑的代謝活動，是動態的，可持續的過程，由血管源源不斷的輸送營養物質至肌細胞，應用于肌肉組織。一般的人造材料無法構建具有類似于肌肉的增長、代謝特性，因其無法滿足生物體重塑過程中的要素如1）營養吸收，2）原有結構破壞，3）原有結構破壞導致新結構的合成。如金屬、塑料等，在反復的壓力下會逐漸失去耐用性。因此，構建可以代謝、訓練的自增長材料有著廣闊的應用前景和研究價值。
近日，北海道大學龔劍萍教授團隊以血管供給營養物質-肌肉結構破壞-重塑的增肌訓練過程為原型，構建了具有內部通道結構的雙網絡（Channel Double-network, c-DN）水凝膠。通過凝膠內部通道輸送“養分”，構建水凝膠-溶液循環系統。由于水凝膠材料同時具有液體（滲透和擴散）和固體（維持形狀和強度）的性質，通過溶液內循環，c-DN水凝膠可實現物質滲透并維持水凝膠的濕潤性。此外，與普通水凝膠不同，雙網絡水凝膠通常由硬而脆的聚電解質構成第一重網絡結構，高度可拉伸的柔性聚合物構成第二重網絡。在受到機械負載時，脆性網絡會在內部破裂，而柔性的聚合物網絡則穿插纏繞在破裂的脆性網絡中，使雙網絡水凝膠碎而不破，裂而不斷，賦予其極高的韌性。有趣的是，伴隨著脆性聚合物鏈斷裂，大量的鏈端碳自由基產生，因此，當雙網絡水凝膠受到機械載荷時，雖然內部發生結構破壞，同時產生的自由基卻可以引發聚合反應。基于此，負載有單體的雙網絡水凝膠就可以通過力致自由基引發單體形成新的聚合物網絡，達到破壞原始結構-形成新結構的自增長機制。在此過程中，由內部通道輸送“養分”（單體）并滲透于水凝膠內部，補充自由基聚合過程中消耗的單體，便可持續形成新的聚合物網絡，從而完成“破壞-代謝-重塑”的增長過程。此外，通過拉曼光譜檢測新增聚合物含量后發現，在雙網絡凝膠中，自由基可長時間保持引發活性，在首次拉伸后，自由基引發的聚合物網絡增長過程可持續數小時之久。該工作以“Sustainable mechanochemical growth of double-network hydrogels supported by vascular-like perfusion”為題發表在《Material Horizons》上。文章第一作者是北海道大學博士生魏谷米，共同通訊作者為北海道大學生命科學學院的中島佑（Tasuku Nakajima）副教授和北海道大學生命科學學院的龔劍萍（Jian Ping Gong）教授。該工作得到了日本學術振興會（JSPS）和文部科學省（MEXT）的支持。
圖1 具有類血管灌注的通道型雙網絡水凝膠持續機械化學生長 (a) 血液循環為增肌過程提供營養 (b) 含有內部通道的c-DN 水凝膠以維持單體溶液循環（c）c-DN水凝膠的內部溶液循環與擴散（d）破壞-代謝-重塑機制：拉伸導致脆性網絡（深藍色）斷裂，產生鏈端自由基并引發單體聚合形成新的聚合物網絡（淺藍色），內部循環擴散以持續供給單體。
該工作通過模版法在雙網絡凝膠內部構建通道，利用電泵驅動凝膠內與外部溶液的循環，在力致自由基引發聚合的過程中持續供給單體。此外，水溶液的內部循環可以有效補充因凝膠表面水分揮發造成的失水，防止水凝膠干燥失效，保持凝膠的含水量與柔性。這一特點作為c-DN水凝膠長時間可持續自增長的基礎，在重復拉伸的過程中實現后續的機械化學增強。
視頻1 c-DN水凝膠的內部溶液灌注與循環拉伸。
圖2 具有內部通道結構的雙網絡（Channel Double-network, c-DN）水凝膠。
研究者在循環通入單體不同時間后拉伸c-DN水凝膠引發單體的原位聚合，并利用激光共聚焦顯微鏡和疏水區熒光探針標示出新形成的聚合物（高溫時疏水），隨著溶液循環時間的延長，熒光區域逐漸擴大，有效顯示出單體從內部通道擴散至外表面的過程。
圖3 通過熒光強度分布可視化單體分子擴散
當對c-DN 凝膠施加機械負載時，脆性聚合物網路內部發生結構破壞，產生自由基并引發單體聚合，同時內部循環不斷提供新的單體，以維持聚合物網絡的持續性增長。拉伸后的c-DN水凝膠強度增加并可提升重物，呈現出類似于肌肉的生長現象。
圖4 由內部單體循環供給的c-DN水凝膠在重復機械變形下的類肌肉增長行為。
利用拉曼光譜，研究者探究了在持續供給單體的狀態下，首次拉伸后，雙網絡凝膠中自由基引發的新增聚合物含量變化。預先循環單體溶液至飽和后，拉伸負載有單體的雙網絡水凝膠，在拉伸后的不同時間段，終止內部的單體溶液循環，排空管道內的溶液并將c-DN水凝膠從低氧環境中移出。用大量水浸泡出凝膠內未反應的單體后，測試新增聚合物的拉曼信號。結果表明，凝膠內部的自由基可持續引發聚合，增長過程持續數小時。
圖5 (a, b) 首次拉伸后，機械性能的增長 (c) 屬于新增聚合物的拉曼信號（藍色箭頭標示）在6小時內持續增強 (d,e) 化學和機械參數的生長-時間曲線 (f) 機械增長相對于化學增長的滯后性
該工作是北海道大學龔劍萍教授團隊近期關于雙網絡水凝膠力致自增長研究的最新進展之一。在以往的工作中，持續的單體供給和長時間的重復機械訓練使自增長過程受限于溶液環境中，給后續的定量研究和應用帶來極大困擾。而單體溶液的循環灌注則不僅補充了聚合消耗的單體，也同時維持了水凝膠的含水量與柔性，使雙網絡凝膠的機械化學過程不受限于水下環境。通過觀測聚合物生長和機械強化的過程，研究者發現了雙網絡水凝膠中機械化學反應的獨特特征，包括極長壽命的自由基和延遲機械強化。這一結果將有望應用于響應機械刺激而提高本體機械強度的柔性機器人，力致自由基反應基質，自由基反應動力學監測等領域中。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01038d
