【前沿背景】
生物组织可以优雅地采用不同的自我保护策略，以响应外部机械应力引起的变形来维持其结构完整性和生物学功能。例如，微管，肌动蛋白，胶原蛋白和中间细丝的生物组件可以在被拉到骨折之前变硬（即，随着所施加的应变或应力的增加，它们的刚度也会增加）。应变增强能力不仅限制了生物组织。从变形起，但在各种生物过程中也起着重要作用，例如细胞分化和长距离细胞间通信。在生物工程应用中，赋予合成软材料以这种应变增强能力对于模拟动态机械环境进行破译至关重要。细胞行为和制造人造组织（例如，肌肉，皮肤，血管等），植入式执行器和软机器人。当前的应变增强材料的设计策略主要依赖于使用具有螺旋结构的半柔性聚异氰肽（PIC）束或通过胶凝剂分子的自组装制备的半柔性纤维，其具有固有的应变增强特性。但是，复杂的准备方法和数量有限的候选人限制了他们的应用。考虑到合成聚合物的各种合成途径和可调功能，非常需要使用柔性合成聚合物来开发用于模仿生物组织的新型功能性水凝胶。然而，在合成的柔性水凝胶中很少观察到应变强化行为，相反，当变形时，它们通常趋于软化。
【科研摘要】
生物组织在受到拉伤或损坏时能够变硬和自愈，以保持其完整性和功能性。然而，在生物相容性柔性水凝胶中模仿生物组织的应变增强和自我修复功能仍然是一个挑战。最近，加拿大阿尔伯塔大学Ravin Narain和曾宏波院士报告了一种由两种生物相容性聚合物构成的柔性水凝胶，可以巧妙地采用生物应变强化或自我修复策略来响应机械变形来维持结构完整性和功能性。水凝胶在应变时可以可逆地反复硬化至其原始模量的八倍，而不会出现机械滞后现象。此外，受损的水凝胶可在几秒钟内反复自愈，并充分保留了应变增强能力。此外，得益于出色的生物相容性和动态特性，仿生水凝胶可轻松应用于3D细胞封装。这项工作提供了对类似组织的自我保护性软材料的分子设计的新颖见解，这也可能会激发仿生细胞培养基质，人造组织以及用于各种生物医学和工程应用的软体机器人技术的发展。
【图文解析】
1.凝胶机理
作者报道的是一种由两种柔性线性聚合物制备的应变增强自修复水凝胶，两者均具有出色的生物相容性（示意图1）。在生理条件下，水凝胶是通过二苯基硼酸封端的远螯聚乙二醇(DPB-PEG)的硼酸与糖聚合物{poly(acrylamide-co-2-lactobionamidoethyl methacrylamide) [P(AM-co-LAMEA)]}的1,2-/1,3-二醇之间的缩合反应而交联的。所制备的水凝胶表现出显着的仿生应变强化行为，可以通过交联密度，聚合物浓度，温度和交联剂的长度轻松地对其进行调节。阐明了潜在的应变加强机制，即PEG的非线性拉伸和有限可扩展性，这为具有可调机械响应的功能性水凝胶的分子设计提供了新的见解。此外，由于动态的硼酸酯交联化学作用，受损的水凝胶可在几秒钟内重复自愈，而不会牺牲应变增强能力。出色的仿生特性以及出色的生物相容性使水凝胶成为3D细胞封装的理想平台。
示意图1.使用DPB-PEG和P(AM-co-LAEMA)制备生物相容性柔性水凝胶网络及其对机械变形的仿生应变刚度和自愈功能。
2.硼酸/糖摩尔比的依赖性
水凝胶的聚合物浓度固定为10 w/v％时，研究了不同的硼酸/糖比对BL4k网络力学的影响。所有样品均显示出清晰的线性和非线性机械响应机制，其中可以通过改变硼酸和糖基之间的摩尔比轻松调节G0和σc（图1a）。随着硼酸/糖的摩尔比从1：0.5增加到1：4，G0从32 Pa显着增加到405 Pa（图1b）。G0的增加可以归因于网络的更高的交联密度，因为随着糖基团数量的增加可以形成更多的硼酸酯。因此，随着水凝胶硬度的增加，σc也从16 Pa增加到209 Pa（图1b）。对归一化应力（σ/σc）绘制归一化微分模量（K'/G0）表明，硬化指数m随硼酸/糖的摩尔比不同而变化（图1c）。当硼酸/糖的摩尔比从1：0.5增加到1：4时，m从0.62降低到0.37（图1d）。
图1.在不同的硼酸/糖摩尔比下，BL4k水凝胶的机械性能（10 w/v％，T = 25°C）。（a）相对于应力σ的微分模量K'。（b）相对于硼酸/糖摩尔比的平稳模量G0和临界应力σc。（c）相对于归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/ G0）。（d）硬化指数m与硼酸/糖的摩尔比的关系。
3.聚合物浓度依赖性
制备了一系列在硼酸/糖的摩尔比= 1：1时总聚合物浓度在5.0和15.0％（w/v％）之间的BL4k水凝胶，以调节机械性能。所有样品均表现出应变强化行为，G0和σc均强烈依赖于聚合物浓度（图2a）。聚合物浓度降低3倍不仅使G0从约500 Pa降低至10 Pa，而且使σc从200 Pa大幅降低至10 Pa以下（图1b），这在生物学上可承受的应力范围内。这种依赖于浓度的网络机制类似于各种基于胶原，肌动蛋白和纤维蛋白的生物凝胶。此外，该水凝胶的应变刚度响应也可以通过改变聚合物浓度来调节（图2c）不同于具有分支网络结构的半柔性水凝胶和PEI/PEG柔性水凝胶所采用的普遍应变强化行为。当聚合物浓度从5 w/v％增加到15 w/v％时，硬化指数m从0.66降低到0.47约30％（图2d）。
图2.在不同聚合物浓度下BL4k水凝胶的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，T = 25°C）。（a）相对于应力σ的微分模量K'。（b）相对于聚合物浓度的平稳模量G0和临界应力σc。（c）相对于归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/G0）。（d）硬化指数m与聚合物浓度的关系。
4.温度依赖性
通过温升试验研究了温度对BL4k力学性能的影响（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w / v％）。在加热坡道中，储能模量G'和损耗模量G''都随着温度从15升高到75°C而降低，并在反向冷却坡道中恢复原始值。在高温下水凝胶刚度降低最可能是由于高温下PEG的“软化”行为所致。然而，水凝胶在整个温度范围内都保持了应变加劲行为（图3a，b），其中随着温度从20升高到70°C，G0和σc均下降4倍。有趣的是，在不同温度下针对归一化应力（σ/σc）的归一化微分模量（K'/G0）折叠成m≤0.6的一条主曲线（图3c），这表明温度对应变-刚度响应的影响有限的水凝胶。
图3.在不同温度下BL4k水凝胶的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w/v％）。（a）相对于应力σ的微分模量K'。（b）平稳模量G0和相对于温度的临界应力σc。（c）拟合至（a）中归一化数据的主曲线。
5.交联剂的链长度依赖性
通过改变交联分子的长度，可以进一步调整网络机制。制备并测量了两种交联剂长度不同的水凝胶（BL4k和BL8k）（DPB–PEG4k和DPB–PEG8k），但聚合物浓度（10 w/v％）和硼/糖摩尔比（1：1）相同。通过较长PEG交联的水凝胶（BL8k）的刚度小于通过较短PEG交联的水凝胶（BL4k）的刚度，从而导致σc从94 Pa显着降低至4.8 Pa（图4a）。刚度的降低可以归因于网络结构的松散和混乱。在基于PIC和基于细胞骨架聚合物的凝胶中也发现了这种作用。对两种水凝胶针对应变γ的归一化微分模量（K'/G0）进行绘制表明，K'在非线性响应中持续增加直到达到最大应变γmax，水凝胶网络破裂（图4b）。加强范围Kmax'/G0（即，相对于失效前的初始刚度的刚度增加）与网络可以承受的最大应变密切相关。由于更长的PEG链具有更高的延伸性，BL8k可以维持较大的γmax，因此导致Kmax'/G0的值更高（图4b）。
图4. BL4k和BL8k的机械性能（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）。（a）相对于应力σ的微分模量K'。（b）相对于应变（γ）的归一化微分模量（K′/G0），其示出最大应变γmax和硬化范围Kmax′/G0。
6.应变强化行为的可逆性和可再现性
与生物组织类似，该水凝胶由于具有可逆的应变加强能力，因此可以提供按需和有针对性的机械性能。只要连续施加适当的应变，BL4k和BL8k都可以反复加固到指定的G'值并保持这种机械强度（图5a，b）。一旦减小所施加的应变，水凝胶的原始机械性能立即恢复。水凝胶的应变刚度曲线遵循相同的轨迹，并且水凝胶可以可逆和反复地硬化至其原始模量的八倍，而不会显示出机械滞后现象（图5c）。
图5.（a）BL4k的循环应变阶跃试验（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）；（b）BL8k的循环应变阶跃试验（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）。（c）在（b）中测试的水凝胶的七个连续应变扫描。
7.应变加强机制
在该水凝胶体系中，仿生菌的应变强化行为源自PEG的非线性拉伸和有限延伸性。另一种线性聚合物P（AM-co-LAEMA）的作用是提供足够量的1,3-二醇基团，这允许DPB-PEG的两端通过硼酸酯的形成共价键合。如示意图2所示，一旦DPB-PEG的两端牢固结合，当受到拉紧时，PEG链可能像弹簧一样起作用。在变形过程中，随机取向的PEG链倾向于与应变/应力方向平行排列。当PEG链拉伸至其“伸直”状态时，构象熵显着降低，并且由于PEG链内共价键的弯曲或拉伸，柔性PEG链可能表现出一定的焓弹性。两种作用的协同作用可能会引起对施加的应变/应力的反作用力，从而导致网络的刚性响应。应变强化作用控制着水凝胶的机械性能，导致G'急剧增加，直到PEG链被拉伸到最大可扩展性（γmax）为止，在此发生水凝胶的破裂。
示意图2.应变加强机理的图示
8.自愈特性及相关的相互作用机制
当生物组织的应变增强能力无法将完整性维持在最大应变以上时，它们会采用自我修复的策略来修复损伤并恢复原始特性。应变强化水凝胶也具有这种仿生自我修复功能。如图6a-d所示，在将两片分离的水凝胶接触后，水凝胶可以相互粘附，并在几秒钟内自动融合为一件。自修复的水凝胶可以很容易地克服自身重量提起而不会破裂。通过连续的应变扫描进一步研究了水凝胶的自愈特性。发现在高应变（γ= 6.0，高于γmax= 2.9）损坏后，受损的水凝胶不仅可以立即自我修复以恢复原始机械强度，而且还可以完全保留应变加劲能力（图6e）。在其他具有不同聚合物浓度的水凝胶中也观察到了类似的自我修复行为。通过执行循环应变阶跃测试，可以进一步确认自我修复性能的可重复性，其中即使在反复破坏水凝胶后，G'和G''都可以完全恢复到原始值（图6f）。
图6. BL4k的自愈过程（硼酸/糖= 1：1，10 w / v％，T = 25°C）。（a）原始水凝胶，（b）将水凝胶切成两段，（c）使分离的水凝胶接触，并且（d）可以将自愈的水凝胶提起以抵消其自身重量。（e）BL4k的顺序应变扫描（硼酸/糖的摩尔比= 1：1，10 w / v％，T = 25°C）。（f）在（e）中测试的水凝胶的循环应变阶跃测试。（g）力-距离曲线显示了在三个连续的进近分离力测量中P（AM-co-LAEMA）与DPB-PEG之间的相互作用。
9.3D细胞封装
该仿生水凝胶的潜在应用将用作人工ECM，以包裹细胞并进一步生长用于组织工程的人工组织或器官。培养癌细胞对于建立精密医学的肿瘤组织模型尤为重要。该研究中，选择HeLa细胞作为模型细胞，以初步研究水凝胶的细胞毒性和3D细胞包封能力。如图7a，b所示，活细胞（绿色）占死细胞（红色）的大部分。24小时后，在5和10 w/v％BL4k水凝胶中，细胞活力均估计为约80％（图7c），这证实了该水凝胶的出色生物相容性。但是，与均匀分布在10 w/v％水凝胶中的HeLa细胞的圆形形态相比，这些细胞在5 w/v％水凝胶中呈现出扁平的形态并沉入底部。结果表明，较低的材料刚度无法为细胞生长提供理想的3D环境。
图7.在（a）5 w/v％，（b）10 w/v％BL4k水凝胶中培养的HeLa细胞的3D共聚焦显微镜图像。（c）孵育24小时后进行细胞活力定量分析（活对照：DMEM + 10％FBS；死对照：70％乙醇）。从随机选择的五个视野中拍摄图像，并使用Imaris Imaging Software进行定量。
【名校简介】
阿尔伯塔大学(University of Alberta)，始建于1908年，位于加拿大阿尔伯塔省省会埃德蒙顿市中心，北萨斯喀彻温河南岸，学校所在的阿尔伯塔省蕴藏着丰富的石油、天然气，是加拿大的能源基地。该省也因此成为近年来加拿大经济财政发展最兴旺蓬勃的地区。阿尔伯塔大学是加拿大的一所综合研究性大学，目前共有共有30000多名在校学生，6000多名教学人员和8000多名工作人员，学校在加拿大研究型大学排名前五，世界大学综合排名前百。
【导师简介】
曾宏波（Hongbo Zeng），2001年和2003年在清华大学化工系先后获得学士和硕士学位，2007年在美国加州大学圣芭芭拉分校获得博士学位。现为加拿大阿尔伯塔大学化学工程和材料工程系终身教授，加拿大国家讲席教授，加拿大分子力和界面科学领域首席专家。曾宏波的研究方向主要包括胶体与界面科学、分子和纳米力学、界面化学、高分子材料、生物材料、纳米材料、多孔介质和复杂流体中的界面现象、矿物工程中的界面现象、石油工程的界面现象和污水处理等。
参见文献：
doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03526
