通过排列分级纤维结构简便制备具有类跟腱超强强度的纤维素水凝胶

　　人体纤维结缔组织（如韧带和肌腱）的极端机械强度一直是水凝胶科学家面临的挑战。最近， 北海道大学科研团队 创造了 极其坚固的纯纤维素水凝胶（DCC-E 凝胶）。即使在平衡膨胀状态下，凝胶的断裂应力和杨氏模量也提高到跟腱的水平。
　　为了制备DCC-E 凝胶，首先用乙醇作为反溶剂制备再生纤维素凝胶。然后通过应用在密闭条件下干燥的方法制备DCC-E 凝胶，其中再生纤维素凝胶在其长度固定的同时进行预拉伸和干燥。虽然材料的强度提高通常只能以牺牲韧性为代价，但在保持高韧性水平的同时实现了强度的显着增加。 DCC-E 凝胶的高强度和韧性是通过从纳米级到宏观级优化纤维素原纤维排列来实现的，这是通过选择合适的用于纤维素再生的溶剂来实现的。 在 DCC-E 凝胶中观察到的平行聚集纤维结构被认为在增强韧性和强度方面起着核心作用。这项研究有助于扩大基于生物聚合物的水凝胶在组织工程和软电子领域的应用。
　　图 1 DCC 方法示意图。
　　图 2. 纤维素醇凝胶和水凝胶的比较。 a) 一张照片显示了用相同量的纤维素制备的纤维素醇凝胶和水凝胶的体积差异。b)切割成 10 mm x 3 mm 尺寸的样品的拉伸应力-应变曲线（嵌入图像）。c)样品的光传输测试结果。d)显示纤维素醇凝胶和水凝胶的网络结构的示意图，其中纤维素水凝胶由更多聚集的纤维素原纤维制成。纤维素分子通过氢键结合形成原纤维。
　　图 4.  a) DCC 水凝胶在 0.056 s-1 应变速率下的拉伸应力-应变曲线。b) 数码照片显示 DCC-E50% 样品长 45 毫米，厚约 0.5 毫米，宽约 2 毫米，举起 5 公斤重物。c) DCC 样品和成人肌腱的断裂应力-应变曲线；d) 作为 DCC 样品杨氏模量函数的延伸功。
　　图 9. 由水凝胶和醇凝胶制备的 DCC 样品的纤维结构不同演变过程的示意图。  各向同性的原始纤维素网络通过 DCC 方法变成对齐的纤维结构。由于原始凝胶的结构差异，DCC-E 和 DCC-W 凝胶的所得纤维结构不同。
　　相关论文以题为  Facile Preparation of Cellulose Hydrogel with Achilles Tendon-like Super Strength through Aligning Hierarchical Fibrous Structure  发表在《 Chemical Engineering Journal 》上。 通讯作者 是 北海道大学 Tasuku Nakajima助理教授 、和 龚剑萍教授 。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1016/j.cej.2021.132040