水凝膠由于其與生物組織在構成以及物理特性方面的高度相似性，因而作為生物組織的替代材料而被廣泛研究。但由于生物適應型水凝膠本身的水合交聯(lián)網絡，在機械強度上較與強韌組織仍有所不足，使得水凝膠的應用范圍有限，并缺乏長期穩(wěn)定性。針對機械強度的問題，目前的主流思路是參考肌肉纖維群的結構形態(tài)，將肌肉纖維有序平行排列的構型引入水凝膠的設計中，從而實現(xiàn)水凝膠沿排列方向的強度躍升，得到強韌的各向異性水凝膠（例如，仿人造肌腱）。這一思路雖可以實現(xiàn)單一方向上水凝膠在拉伸性能及粗糙度上的數(shù)倍提升，但會同時犧牲垂直方向的機械強度，造成垂直方向上強度的減少，這一特點雖然與肌肉組織契合度高，滿足肌肉組織替代上的強度要求，但卻難以勝任不規(guī)則結締組織，如關節(jié)囊的纖維膜，在強度上的需求。這一類組織不同于肌肉纖維的有序排列，其纖維互相交織，可抵抗多方向的過度拉伸和擴張，因而對于組織材料各個方向上的強度都有所要求，這種各向同性的高機械強度性質，目前還未在水凝膠設計上得到實現(xiàn)。
近期，受貽貝足蛋白 (Mfps) 的動態(tài)胺-兒茶酚相互作用的啟發(fā)，阿爾伯塔大學曾宏波教授團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新策略，將 Mfps 共軛物作為彈性連接結合到聚乙烯醇 (PVA) 基質中，實現(xiàn)了水凝膠材料的仿結締組織結構和各向同性的超強韌性。相關工作以 “Poly(vinyl alcohol) (PVA)-based Hydrogel Scaffold with Isotropic Ultra-toughness Enabled by Dynamic Amine-Catechol Interactions” 為題，發(fā)表于《Chemistry of Materials》。阿爾伯塔大學曾宏波教授（加拿大工程院院士）為論文通訊作者，水濤博士為本論文的第一作者，潘鳴飛博士為本論文的共同第一作者。該論文得到了加拿大自然科學和工程研究委員會等項目的資助。
圖一. PDTy-PVA水凝膠的設計思路以及雙交聯(lián)網絡的形成機制
圖二. PDTy-PVA水凝膠的拉伸強度和韌性
圖三. PDTy-PVA水凝膠的多方向機械性能和水下黏附功能
圖四. PDTy-PVA水凝膠的彈性研究、pH響應性和破損修復性能
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01582
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