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  近期，天津大學材料科學與工程學院劉文廣教授課題組在著名高分子材料綜述類期刊《Progress in Polymer Science》(IF=27.184)上發表了題為“Bioinspired fabrication of high strength hydrogels from non-covalent interactions”的綜述文章，論文共同第一作者為王瑋副教授和張銀宇博士生。該文概述了基于非共價鍵增強構建高強度水凝膠的最新進展，重點凝練了劉文廣教授近十年來在高強度水凝膠工作的研究成果，總結了非共價鍵作用對提高水凝膠的強度及其水環境穩定的重要性，并按照非共價鍵作用類型對凝膠的增強機理和應用進行了詳細的解釋與闡述，最后對高強度水凝膠未來的發展趨勢進行了歸納與展望。

  經過億萬年的進化，生物體為適應環境優化選擇形成了許多獨特的結構和功能。例如，水母和海葵的含水量雖然在90%以上，但它們的類水凝膠軀體仍具有良好的力學強度并且可以對環境的改變快速響應。同樣，人體很多承載的軟支撐組織（如肌腱，韌帶，半月板和軟骨）也是由水凝膠材質構成，并具良好的韌性和抗壓性能。最新研究發現，分子間或分子內的非共價鍵作用驅動形成的介觀或微觀尺度的疏水聚集微區，不僅能夠抑制這些類凝膠組織在水環境中過度溶脹，同時賦予這些水凝膠組織高強韌的力學性能。師法自然，許多課題組將非共價鍵作用引入水凝膠體系，使其具有高強、高韌、高彈、形狀記憶，甚至可塑性等性能。

  根據非共價鍵作用類型大體上可分為五類，疏水相互作用（hydrophobic interaction），氫鍵作用（H-bonding interaction），離子絡合交聯作用（ionic coordination），偶極相互作用（dipole-dipole interaction）和靜電相互作用（electrostatic interaction）。雖然非共價鍵作用的鍵能遠小于共價鍵作用，但是在聚合物中多重非共價鍵的協同作用可形成穩定可逆的物理交聯。在水凝膠網絡承載時，物理交聯作用首先發生斷裂，為其網絡耗散機械能，從而保護水凝膠網絡的完整性并使其具有良好的力學承載性。得益于非共價鍵交聯聚集微區的疏水性，這些化學交聯的高強度水凝膠在水中能保持一定的含水量而不會過度溶脹，這使得凝膠在作用生物組織替代物上具有了很好的應用前景。

共價鍵-偶極/氫鍵協同作用的水凝膠網絡體系中，偶極/氫鍵作用先于共價鍵斷裂，耗散能量 (劉文廣課題組. Adv Funct Mater 2015; 25: 471-80 )

  利用這些非共價鍵的可逆性和對環境的刺激響應性，可以設計出各類刺激響應性的形狀記憶水凝膠。由于刺激條件溫和，形狀記憶水凝膠可以應用于生物醫學領域。

偶極增強離子驅動的形狀記憶水凝膠用于探索微重力對于干細胞分化的影響 （劉文廣課題組. Sci Rep 2014; 4: 5815）

  基于氫鍵單體2-乙烯基-4, 6-二氨基-1,3, 5-三嗪（VDT）增強的凝膠，也被用于可逆的細胞脫附，基于礦化的偶極增強凝膠能夠促進大鼠的頭蓋骨修復 (劉文廣課題組. Adv. Funct. Mater. 2017, 1604327)。

VDT氫鍵增強水凝膠在細胞反向轉染及無損脫附中的應用 (劉文廣課題組. Adv Mater 2010; 22: 2652-6.)

  基于側鏈雙酰胺氫鍵非共價交聯形成的超分子聚合物水凝膠其交聯點在適當條件下可以實現解離-重構，賦予凝膠自修復性能。

氫鍵組裝超分子聚合物水凝膠具有高強、高韌、易加工、自修復的特點 (劉文廣課題組. Adv Mater 2015; 27: 3566-71)

  綜上，非共價鍵作用可以在水凝膠網絡中形成介觀或者微觀的疏水微區增強并穩定水凝膠網絡，通過合理設計可以構建具有形狀記憶、自修復、易加工等性能的水凝膠體系。劉文廣教授表示，高強度水凝膠的研究還處于初級階段，水凝膠的生物相容性和大規模生產成為其走向商業應用的瓶頸。在層出不窮的高強高韌水凝膠中，鮮有水凝膠能達到肌腱等軟組織需求的強度，完美的組織替代水凝膠仍需進一步探索；接下來的工作應主要集中于探索如何拓寬高強度水凝膠的應用范圍。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670017300047