愈合水凝胶材料从压力中恢复

应变仪将水凝胶样品分开。(上图)一个典型的左手边有切口的凝胶在被拉伸后很快就断裂了。(中)新的自增强凝胶在左手边有一个切口，尽管如此，当它比典型的水凝胶拉伸得更远时，它仍然保持完整。(下)聚乙二醇(PEG)链和羟丙基-α-环糊精(HPαCD)环的拉伸和弛缓图。

资料来源:©2021 Mayumi等人。

水凝胶是主要由水制成的聚合物材料。可广泛应用于医疗和其他领域。然而，以前的化身材料遭受反复的机械应力，容易变形。一种新型晶体可以可逆地形成和变形，使水凝胶能够迅速地从机械应力中恢复。这为这种生物相容性材料在人工关节和韧带领域的应用开辟了道路。

我们中的许多人在运动中偶尔会受伤，或者在生命中的某个时刻会经历与关节和韧带有关的疼痛。对于这种性质的严重伤害，通常几乎无法补救。但是，一种被称为水凝胶的富含水的聚合物材料的新发展有望在大约10年左右的时间里应用于手术室。它们也应该能够承受我们的自然关节和韧带组织所经历的同样的机械压力。它们被称为自增强凝胶。

东京大学固态物理研究所副教授Koichi Mayumi说:“现有的水凝胶的问题在于它们的机械强度很弱，因此需要加强。”然而，之前的强化方法只起了有限的作用，有时仅仅一次。这些凝胶并不能从冲击等压力中迅速恢复。所以我们研究了其他具有很强回收能力的材料，比如天然橡胶。从这些灵感中，我们创造了一种水凝胶，表现出橡胶般的韧性和可恢复性，同时保持灵活性。”

以前的增韧水凝胶的例子使用了所谓的牺牲键，这种牺牲键在变形时就会断裂。牺牲化学键的破坏会耗散赋予材料强度的机械能，但牺牲化学键需要时间，有时几分钟，才能恢复。有时他们根本无法恢复。

与此相反，Mayumi和他的团队引入了一种晶体，这种晶体在张力作用下可以组装成刚性形状，但在张力释放后很快恢复到凝胶状态。换句话说，整体的水凝胶在静止时非常灵活，但在冲击时却变得坚硬，就像天然橡胶一样。该晶体结构由聚乙二醇(PEG)链和羟丙基-α-环糊精(HPαCD)环在水基凝胶中结合而成。

Mayumi说:“由于水凝胶含有超过50%的水，它们被认为具有高度的生物相容性，是医疗应用的必要条件。”“我们研究的下一阶段是尝试不同的分子排列方式。如果我们可以简化我们使用的结构，那么我们就可以降低材料的成本，这也将有助于加速它们被医疗行业采用。”