高强度和抗溶胀的水凝胶材料制作仿生软骨

　　软骨是人体关节的保护性组织，因其内部基质为凝胶态，表现出优异的弹性和抗溶胀性。关节软骨受损后，功能逐渐丧失，会严重影响人体的运动功能，因此在仿生材料领域，关节软骨替代材料的研究越来越受到研究者们的青睐。其中，水凝胶材料因其与软骨接近的网络结构，已成为仿生软骨材料领域研究最广泛的体系之一。然而，常规水凝胶的溶胀性以及溶胀带来的机械性能下降，很大程度上限制了其在仿生软骨材料领域的应用。

　　图1. 聚乙烯醇/植酸钠水凝胶仿生关节软骨结构示意图

　　最近，哈尔滨工程大学张馨月、马宁研究小组结合前期的工作基础，基于植酸钠和聚乙烯醇之间强的相互作用，并结合压制成型和浸泡等过程，设计制备了一种高强度和抗溶胀的水凝胶材料。如图1所示，一方面，植酸钠与聚乙烯醇分子间可以形成强的氢键，在凝胶网络里形成大量物理交联点；另一方面，植酸钠的离子强度对聚乙烯醇分子链有盐析的效应，使聚乙烯醇分子在凝胶网络中形成结晶微区，进一步提高了水凝胶的机械性能。该水凝胶在水、酸、碱及盐溶液中 3 天的溶胀率小于 5%，是一种具有较强环境适应性的理想仿生软骨材料。

　　图2. 聚乙烯醇/植酸钠水凝胶的制备过程及相关实物图

　　本工作中，水凝胶材料的制备方法具有一定的特色。如图2所示，植酸钠与聚乙烯醇混合产生白色沉淀，经过加热、压制成型、冷却、浸泡等处理后就可以得到强度高（断裂应力 7MPa，断裂伸长率 600%）， 光学透明度好（透过率 70%）的水凝胶材料。这种压制成型的方式，可以很简单的实现不规则形状水凝胶的制备，无疑是根据人体各个关节的软骨形状，而个性化订制其替代材料的最有利的方式。

　　图3. 聚乙烯醇/植酸钠水凝胶的抗溶胀性及离子导电性质

　　聚乙烯醇/植酸钠水凝胶是以植酸钠作为一种主要原料制备的，其内部存在大量自由移动的钠离子，在电场作用下，钠离子的定向移动赋予了水凝胶离子电导性。如图3所示，将该水凝胶通过压制成手指状时，可用来模拟人手操控手机屏幕，在手机画板上书写出“HEU”文字。而将该水凝胶组装成应变传感器贴附在“模型手”的手指关节处时，可以从电化学数据中观察到“模型手”的运动行为，并且这种对关节运动的传感性能具有较好的稳定性，说明该水凝胶作为一种仿生软骨材料使用时，其可以对外界刺激做出稳定的响应行为。可以预见，这种聚乙烯醇/植酸钠水凝胶在组织工程和智能可穿戴器件领域有着广泛的应用前景。