【背景摘要】

当将水凝胶设计用于生物学应用时，应仔细选择机械性能以匹配其精确应用。但是，传统的机械表征方法（简单的剪切或压缩/延伸）通常忽略了体内变形的多轴性。最近，拉德堡德大学Paul H. J. Kouwer教授团队的一项研究强调，生物聚合物和组织的确显示出对组合的单轴应变和剪切应变的复杂响应。相关论文题为Fibrous Hydrogels under Multi‐Axial Deformation: Persistence Length as the Main Determinant of Compression Softening发表在《Advanced Functional Materials》上。在这项研究中，使用了一种合成但仿生的纤维状水凝胶，该水凝胶基于多异氰酸酯，形成了支链半柔性链的自组装网络，类似于肌动蛋白，胶原蛋白和纤维蛋白等结构生物聚合物的结构网络。它的综合性质允许解耦这些网络的关键参数，并分别了解它们对多轴变形下机械响应的影响。从实验上发现，持久长度是生物网络的关键参数，可调节压缩状态下凝胶的软化：聚合物越硬，网络在压缩状态下软化的越多。这项研究提供了对组织行为的见解，这种行为可能只能从合成模型系统中获得，并且能够进一步指导新的合成仿生软材料的设计，这些材料作为可调节的无生物细胞外基质材料的需求量很大。

【主图见析】

图1 轴向应变会导致PIC网络的架构和机械变化。a）实验装置的表示：水凝胶在流变板之间形成，并被水包围以允许溶剂流动。施加轴向应变εN，然后施加剪切应变γ来评估机械响应。b）PIC水凝胶（在去离子水中1 mg mL-1）的储能模量G'作为不同εN的振荡剪切应变的函数。按照惯例，轴向应变的负值用于压缩，正值用于延伸。G'在线性粘弹性（LVE）机制中是恒定的，并在较高应变下增加。c）当网络被压缩或扩展时，网络段会弯曲/弯曲（蓝色）或伸展（红色），从而改变线性和非线性机械性能。

图2 PIC凝胶在轴向应变下的储能模量与浓度的关系。a）平台模量（Gε）作为轴向应变（εN）的函数。在所有浓度下，PIC水凝胶均显示出压缩软化和拉伸硬化。b）通过用c2.3归一化Gε，所有数据折叠成一条曲线。c，d）对于浓度为0.7–1.5 mg mL-1的非线性力学参数，硬化指数m（c）；临界应变γc（d）随延伸而变化，随压缩而增大。很难记录在最硬水凝胶的轴向压缩下进行的应变刚度试验。

图3 PIC水凝胶在轴向变形下的储能模量是余辉长度和轮廓长度的函数。a）由于添加了同向（NaH2PO4）或离液（NaI）盐，PIC凝胶的相对增硬或软化的持久长度为lp。特别地，压缩响应受lp的影响。b）PIC凝胶的相对硬化或软化程度与形成束LC的聚合物的轮廓长度有关同样，仅在压缩中，观察到样品之间的差异。显示的数据是2个或3个样本的平均值，均具有±SD。

图4 轴向变形时在两个方向上的机械响应。a）储能模量（Gε）和轴向应力σN作为轴向应变的函数。Gε和σN都随延伸线性增加，而压缩却有很小的变化。正σN表示网络将上板拉下。所示的每个图是三个独立样本的平均值。b–d）拉伸和压缩的不同轴向应变的储能模量（Gε-Gε= 0）相对于所产生的法向应力σN（均归一化为Gε= 0）的变化，这是针对具有不同聚合物长度的凝胶确定的（b），聚合物 浓度（c）和聚合物持久性长度（d），在三个独立的样品中进行了测量。请注意，柔软的材料效果不佳。线性相关性独立于轮廓长度（b），浓度（c）和持久长度（d）。

参考文献：
doi.org/10.1002/adfm.202010527

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