水凝胶韧性提升2.8倍！重庆大学胡燕蔡开勇罗忠团队ACS Nano发文

摘要

跟腱、关节囊、皮肤等人体动态承载组织一旦发生撕裂或全层缺损，伤后持续的生理性应变——呼吸、关节屈伸、肌肉收缩——会反复撕扯新生肉芽组织，使愈合进程高度依赖敷料能否在动态力学环境中维持结构完整与界面稳定。传统纱布和水胶体几乎没有弹性，聚氨酯薄膜粘附力不足且不具止血功能。超分子水凝胶依赖可逆非共价键赋予的应变自适应性进入研究视野，但其共性问题在于：氢键、配位键等非共价相互作用的键能比共价交联弱数个数量级，刚度和韧性此消彼长。

针对以上问题，胡燕、蔡开勇、罗忠等人发表在ACS Nano（2024年，第18卷）上发表了题为“Mechanically Robust Hemostatic Hydrogel Membranes with Programmable Strain- Adaptive Microdomain Entanglement for Wound Treatment in Dynamic Tissues"的研究论文，该研究提出了一条不同于"强化单一交联"的思路：将短链希夫碱动态网络与长链水性聚氨酯通过酰腙键耦合成互穿网络（IPN），使低应变时短链网络维持结构、高应变时长链纠缠耗散能量；同时利用出血释放的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺等内源性多价金属离子在伤口原位诱导结晶化增硬，使材料在血液环境中力学性能不降反升。本文从设计逻辑、力学行为、增硬机制与体内外修复效果四个维度对该工作进行系统分析。

1. 设计逻辑：为什么需要两级能量耗散

理解这项工作的起点，是正视一个在超分子材料领域被反复讨论但很少被解决的矛盾：赋予水凝胶优异动态适应性所需的分子特征——链段高自由度、弱交联位点、快速交换动力学——恰与高力学强度所需的结构特征——链段刚硬化、密集交联、结晶性——背道而驰。传统策略是增加交联密度，后果是柔韧性急剧下降；反过来优先保证柔韧性的做法又导致材料在手术夹持或组织运动时轻易撕裂。

胡燕等人的解决方案是让不同尺度的动态相互作用各司其职。第一级是氧化纤维素（OC）与季铵化壳聚糖（QCS）之间的希夫碱（—CH=N—）反应，形成覆盖整个体系的短链动态共价网络。由于希夫碱键的缔合-解离平衡速度较快，该网络在低应变下能维持形状完整性，在高应变下则通过可逆断裂-重组耗散部分能量。但仅凭这一级交联，PU/OC对照组在循环拉伸中很快出现大面裂纹——单靠动态共价键的反复断裂重组无法在多次加载后保持网络完整。第二级是长链水性聚氨酯（PU）的物理纠缠。作者以分子量2 kDa的聚碳酸酯二醇为软段、异佛尔酮二异氰酸酯为硬段，在PU末端接上己二酸二酰肼（ADH），通过酰肼基与OC上残留醛基之间的酰腙键将PU长链锚定在短链网络中。由此形成的互穿网络（IPN）中，长链纠缠充当了"柔性交联点"——它们不像共价键那样有固定位置，可在受力时沿链方向自由滑动，将外力分散到多条相邻链上。

图1  PU/OC/QCS互穿网络水凝胶的组分设计与IPN动作机制

这个两级设计的精妙之处在于其应变自适应性。低强度外力下，短链网络的高能垒足以传递张力而无需拆解交联点，材料保持高刚度；外力增大到超过希夫碱键的重组能垒后，长链纠缠开始滑移，在多链间分布式耗散能量，避免了应力集中导致的局部断裂。这种"按需切换"的行为模式使水凝胶在不损失短链网络刚性的前提下获得了大幅提升的韧性，本质上是把"刚柔矛盾"转化为了"刚柔接力"。

2. 力学性能：数据背后的设计验证

2.1 拉伸——血液浸泡如何让材料变强

PU/OC/QCS最引人注目的力学特征是全血浸泡后拉伸性能的系统性正向跃变：弹性模量86.1 MPa、拉伸模量22 MPa、断裂强度22 MPa、韧性116 MJ/m³。通常生物材料在血液环境中会发生溶胀软化，而该体系却出现了反向的刚度增益。为解析这一现象的化学根源，作者用血液各组分（葡萄糖Glu、牛血清白蛋白BSA、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、富血小板血浆PRP、红细胞RBC）逐一处理后测试拉伸性能，结果清楚显示：只有多价金属离子组引起了模量和强度的显著提升——Ca²⁺处理后拉伸模量达51.7 MPa、Mg²⁺为24.4 MPa、Fe³⁺为17.2 MPa，而蛋白质和单糖组的力学响应与原始样品几乎无异。Fe³⁺处理组的韧性峰值高达359.3 MJ/m³，此为目前超分子水凝胶体系中的水平。

图2  全血及不同血液组分处理后PU/OC/QCS的拉伸响应及文献横向对比

2.2 抗疲劳——为什么长链纠缠

人体动态组织上的敷料面临的是数百万次的亚临界循环载荷，而非单次极限拉伸。作者在75%应变下进行10轮循环加载-卸载，以能量耗散效率（EDE）作为抗疲劳指标。PU/OC/QCS的单轮耗散能为1.17 MJ/m³，EDE约78.5%，10轮间衰减极小；而仅含短链交联的PU/OC的EDE仅22.0%，且耗散能随循环次数快速下降。SEM图像提供了直观的结构证据：PU/OC表面在少量循环后即布满裂纹，PU/OC/QCS表面则保持光滑完整。这验证了前文的设计逻辑——短链希夫碱网络在反复加载中会发生不可逆的局部断裂累积，而长链纠缠作为"牺牲键"通过滑移吸收能量后再恢复原状，持续保护了网络骨架。

图3  循环拉伸下的能量耗散与表面微观形貌演化

2.3 撕裂与粘附——粗糙度作为桥梁

全血处理后PU/OC/QCS的撕裂强度为367 kJ/m²，QCS的引入使材料表面均方根粗糙度（Ra）从75.74 nm提高到了179.69 nm——这个看似简单的形貌变化实则同时服务了三个功能：更大的接触面积增强了与组织的机械互锁，凸起的微纳结构为血液中血小板和凝血因子提供了富集位点，以及更高的摩擦系数防止了敷料在动态组织上的滑移。搭接剪切测试中自粘附强度109 kPa、对皮肤粘附16 kPa的表现，在湿态条件下已属可靠。值得注意的是，这些粘附力并非来自化学偶联剂或表面功能化处理，而是IPN中密集分布的—OH、—NH₂、—CHO和酰肼等极性基团与组织表面形成的多重非共价相互作用的自然结果——这是该体系区别于依赖多巴胺或氰基丙烯酸酯等专用粘附模块的一大特色。

图4  撕裂强度、粘附强度及与文献材料的综合对比

3. 从现象到机制：多价金属离子如何重建水凝胶的力学结构

血液处理后水凝胶力学性能的系统性增强提出了一个必须回答的问题：这些多价金属离子在聚合物网络中到底形成了什么结构？作者采用了SAXS/WAXS、POM、Raman、XRD、变温FTIR和二维相关光谱（2DCOS）等多尺度表征手段来回答这一问题。

SAXS数据提供了第一层线索：拉伸状态下PU/OC/QCS在赤道方向出现明显的一致取向散射，而PU/OC的取向均匀性较差，说明QCS增强了各组分之间的动态耦合。POM图像给出了更直观的证据：全血处理后PU/OC/QCS呈现出高密度、大粒径的球晶结构，而PU/OC中仅有少量小尺寸球晶，原始样品则基本为光学各向同性。拉曼光谱中的Ca—O（320~360 cm⁻¹）、Mg—O（440~470 cm⁻¹）、Fe—N（230~250 cm⁻¹）和Fe—O（750~770 cm⁻¹）特征峰，以及XRD中CaCO₃、MgO、Fe₂O₃的衍射信号，共同确立了一个清晰的因果关系：红细胞破裂释放的多价金属离子→被希夫碱连接位点和极性基团捕获→配位交联→诱导结晶微域形成→宏观力学性能增强。

图5  SAXS取向分析、POM球晶观察及拉曼/XRD结晶相鉴定 

变温FTIR和2DCOS进一步揭示了氢键网络在金属离子介入后的重构过程。相比于原始样品，全血处理的PU/OC/QCS在1800~1600 cm⁻¹（C=O伸缩振动区）和3700~3000 cm⁻¹（O—H/N—H伸缩振动区）均表现出更复杂的交叉峰模式，表明金属离子不仅强化了原有的分子间氢键，还在原本不存在强相互作用的基团间建立了新的配位氢键连接。这种氢键重组与前述离子-晶体增强相并非各自独立运作，而是协同叠加在同一套IPN骨架上——短链部分通过离子配位和结晶化获得了额外刚性，长链纠缠的滑动自由度则保持不变，因此材料在增硬的同时仍然保留了高应变下的能量耗散能力。这一"增刚不损韧"的特性是该体系最核心的结构-性能关系。

图6  变温FTIR/2DCOS氢键网络分析、AFM/SEM形貌及热稳定性表征

4. 从体外到体内：止血与组织修复的完整性检验

4.1 止血——以血补血的闭环设计

止血性能是该水凝胶设计的逻辑终点之一。材料的超亲水表面（初始接触角45.4°，3 s后降至30.7°）和三维多孔结构能够快速吸收伤口渗出液和血液中的自由水，一方面浓缩了局部的血小板和凝血因子，另一方面排除了组织-材料界面的水化层以防止敷料提前脱落。体外凝血实验中空白组凝血时间740秒，PU/OC缩短至104秒，而PU/OC/QCS进一步压缩到65秒：QCS的季铵阳离子对红细胞和血小板的静电吸附是其快速凝血的关键化学驱动力。50分钟时BCI指数仅8.3%，表明绝大多数血液成分已被固定在凝胶基质中。在大鼠肝实质出血和股动脉出血两种模型中，PU/OC/QCS组的出血量与出血时间均显著低于对照组。值得特别强调的是，这个止血过程同时触发了力学增强——血小板和红细胞被捕获、破裂、释放金属离子，离子配位交联增强水凝胶本体——止血和增硬形成了一个正向反馈闭环，这是该体系在众多止血材料中真正与众不同的特征。

图7  体外凝血动力学、BCI指数及大鼠肝脏/股动脉出血模型的止血评价

4.2 皮肤全层缺损——时序调控的愈合窗口

在SD大鼠背部10 mm全层皮肤缺损模型中，PU/OC/QCS组术后14天残余伤口面积仅为1.9%，而空白组和商业3M Tegaderm组分别高出约15和14个百分点。但更值得关注的不是愈合速度快，而是α-SMA表达的时间窗口调控。术后4天时PU/OC/QCS组的α-SMA阳性面积高达40.4%，高于空白组约5.8个百分点，表明肌成纤维细胞的早期强力激活促进了伤口快速收缩和ECM分泌；然而到14天时该组α-SMA回落至36.1%，与空白组持平，避免了持续的肌成纤维细胞活跃所导致的过度纤维化和瘢痕增生。这种"早期推高-中期回落"的时序模式是理想伤口愈合的标志性特征，也解释了该组为何在实现快速闭合的同时瘢痕较轻。CD31染色的血管新生在各时间点均优于其他组，QCS的正电荷对血管内皮细胞的趋化作用可能是关键的分子基础。

图8  大鼠全层皮肤伤口愈合进程、组织学及α-SMA/CD31免疫组化

4.3 跟腱断裂——力学信号驱动的肌腱再生

跟腱修复是检验该水凝胶设计理念的最严苛场景。跟腱在人体肌腱中受力最大，断裂后的传统缝合修复面临一个棘手的矛盾：缝合线提供了机械连接但会引起炎性肿胀和组织粘连，且无法阻止缝合早期肌腱断端在微小应变下的间隙形成。PU/OC/QCS在术中被置于肌腱断端之间，被重新连接的肌腱挤压固定，其高粘附性确保了界面稳定。术后14天和28天，该组肌腱的拉伸强度不仅显著优于缝合组和PU/OC组，更接近未损伤的正常对照组（PC组），这在肌腱修复研究中是罕见的高水平功能恢复。横截面积和质量的测量结果——PU/OC/QCS组仅为缝合组的约60%和87%——排除了"粗壮但功能差"的假阳性可能。Masson染色定量显示28天成熟胶原含量达90.4%，与PC组接近，较缝合组高出约29%。肌腱特异性转录因子SCX（scleraxis）和膜蛋白TNMD（tenomodulin）的高表达从分子水平证实了肌腱细胞系的正常分化。这些结果共同指向一个推论：PU/OC/QCS不只是惰性的物理屏障，其应变自适应的力学响应为肌腱细胞提供了与正常肌腱相近的力学信号环境，从而主动引导了肌腱的再生编程。

图9  大鼠跟腱损伤模型的力学恢复、组织学及肌腱特异性标志物表达

5. 总结与展望

胡燕等人的这项工作为超分子水凝胶的设计提供了一个可迁移的范式：不试图用同一种相互作用解决所有力学需求，而是让短程动态共价键和长程物理纠缠在各自的应变区间内独立高效运作，再通过血液中内源性金属离子的原位结晶化叠加第三级增强。这个三级体系——希夫碱骨架→PU纠缠耗散→离子-晶体补强——在逻辑上自洽，在实验上被多尺度表征所验证，并在两种具有不同力学需求的动物模型中展现了优异的功能修复效果。

展望未来，三个方向值得深入。第一，材料在更长周期（6~12个月）内的降解-再生匹配行为仍需在更大动物模型（如兔或猪）中系统评估，尤其是肌腱修复场景中水凝胶降解速率与新生胶原沉积速率的动态平衡。第二，将生长因子缓释、外泌体或siRNA负载等生物活性功能整合进该IPN平台，有望实现从"被动力学适配"到"主动生化调控"的升级。第三，"应变自适应微域纠缠"这一设计理念是否可以推广到其他动态键体系（如二硫键、主客体作用、金属-有机配位笼）及其他软组织修复场景（心肌补片、硬脑膜、半月板），这将决定该范式的普适性边界。在转化层面，该水凝胶的所有前驱体——纤维素、壳聚糖、聚氨酯——均已有成熟的工业化供应渠道，QCS的季铵化改性工艺也相对简单，这意味着该体系从实验室走向临床的产业化门槛并不高，其真正的挑战在于中试放大时的批次一致性以及长期植入的安全性数据积累。