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武汉大学张俐娜院士团队:酸遇上碱,分分钟冻结纤维素取向结构!

发布时间:2020-08-05 08:29:40   

绝大多数水凝胶是通过聚合或组装均匀溶解在水性介质中的分子制备的,因此聚合物网络通常是均匀而各向同性的。相反,像肌肉、皮肤、关节软骨和角膜这类生物软组织具有取向的多层次结构,并在在生物系发挥重要作用。因此简便快速构筑具有长程有序结构的各向异性水凝胶材料具有重要意义。目前制备有序结构水凝胶材料的几种主要方法:电场或磁场取向、机械力(拉伸、压缩或剪切力)取向、定向冷冻、离子定向扩散、光刻模板法和自组装。这些策略对制备具有高度有序结构的水凝胶材料具有重要借鉴意义。

近日,武汉大学张俐娜院士课题组基于构筑强韧、对外力刺激具有响应性的纤维素水凝胶的基础上(ACS. Appl. Mater. Interfaces.2017, 9, 43154-43162; 详见:高强、高韧纤维素水凝胶,“再碰我,就给你点颜色看看”),提出“预牵伸+杂化交联”协同策略,诱导纤维素内部氢键沿力场方向排列而固定取向,制备出多种各向异性纤维素水凝胶,并成功诱导心肌细胞取向生长。该工作以标题“RobustAnisotropic Cellulose Hydrogels Fabricated via Strong Self-aggregation Forcesfor Cardiomyocytes Unidirectional Growth”发表于国际著名期刊Chemistry of Materials,第一作者是叶冬冬博士,通讯作者常春雨副教授和张俐娜教授。

作者利用一种绿色溶剂(碱-尿素-水溶剂)实现纤维素的物理溶解(碱-尿素包合物包裹纤维素分子链,屏蔽纤维素氢键相互作用)。对纤维素溶液进行松散化学交联,不洗脱内部碱-尿素,较小的外力可以驱动该松散化学交联纤维素凝胶产生临时性取向。

视频1. 小外力驱动松散化学凝胶结构临时性取向

通过快速酸处理(<1min),凝胶内部碱-尿素复合物被快速破坏,致使裸露的纤维素分子链通过强自聚力沿着外力方向平行排列并且紧密堆积,“冻结”取向的结构。该纤维素水凝胶具有显著的各向异性结构、溶胀性、力学性质和光学性质。

视频2. 高度取向纤维素水凝胶各向异性力学性能(//和⊥于预牵伸方向)

图一不同预牵伸比对应纤维素水凝胶的形貌和取向度

此外,对该策略稍加改变,可永久冻结并制备得到多种具有各向异性纤维素水凝胶(例如例如在酸溶液中释放预拉伸的化学凝胶,具有周期性微米尺度皱褶结构各向异性纤维素水凝胶)。

图二利用预牵伸+酸处理方法构筑多种取向结构纤维素水凝胶

尤其是具有独特多级结构的褶皱各向异性纤维素水凝胶,可诱导心肌细胞的粘附、定向增殖,并展现出方向性跳动,显示出潜在体外定向培养心肌细胞的功能。

视频3. 心肌细胞方向性跳动

本工作提供一种简便、绿色和高效的方法制备具有高度取向结构的纤维素水凝胶,并为构建生物医学工程和再生医学的各向异性纤维素水凝胶提供新策略。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b01799

来源:高分子科学前沿

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