具有高度取向纳米复合结构水凝胶的最新研究进展

生物体软组织材料,例如关节软骨、肌肉、角膜及血管都具有着高度各向异性的力学性能,因此能够保证生物体机能的正常发挥,以适应复杂的生理环境。在人造材料体系中,高分子水凝胶与生物体软组织材料的性质最为相似,其三维亲水性高分子网络具有很强的吸水性、弹性和生物相容性等众多优异特性。然而,与生物体软组织相比,传统的高分子水凝胶结构上各向同性并且力学性能较差,从而限制其进一步的应用。近年来,受生物体软组织取向结构与其优异的力学性能所启发,研究者开始致力于制备取向结构各向异性纳米复合水凝胶及其性能研究。

北京航空航天大学化学学院刘明杰教授团队综述了近年来高度取向纳米复合结构水凝胶的最新研究进展。综述从仿生角度出发,根据生物体软组织高度取向结构指导取向纳米复合水凝胶的设计策略。在生物体中,为实现对运动行为的控制,软骨不仅需要有较高的支撑强度,还应具有优异的定向减震、润滑等功能;肌肉通过一维方向上的收缩带动关节,这些都需要通过取向结构和各向异性力学性能的有效协同作用。在水凝胶体系中,通过引入不同维度的纳米响应基元,利用磁场、电场、机械力、定向冷冻、自组装等策略有效诱导取向,获得大尺度范围内,三维长程有序的取向结构;通过原位的聚合反应形成交联的高分子网络以锁定取向结构,制备取向结构纳米复合水凝胶。

文章中不仅总结了取向结构纳米复合水凝胶的制备策略,也对比了不同策略间的优势和挑战,比如如何更加精确的制备取向结构、大规模制备问题等。同时,文章还对取向结构复合水凝胶各向异性的力学、光学性能、刺激响应性及生物学特性等性质及其应用进行了详细的阐述。结合这些优异的性能,取向结构复合水凝胶将在生物组织工程领域、材料领域、柔性器件等领域有着广阔的应用前景。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201703045)上。

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