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  具有超高可壓縮性、彈性和壓縮抗疲勞性的冷凍凝膠在組織工程、醫用敷料、生物傳感等方面有巨大的應用前景。纖維素、甲殼質/殼聚糖和絲素等生物質因其可再生性、生物降解性和生物相容性而成為制備冷凍凝膠的優良材料。然而，由于缺乏分層多級納米結構的設計，開發具有極端力學性能的生物質冷凍凝膠仍面臨巨大挑戰。自然界中天然存在的多尺度微納結構越來越多的受到材料設計者的關注，如多尺度的植物葉脈和蛛絲的網絡結構。多尺度的微納纖維網絡結構為高彈性和抗疲勞性的凝膠材料設計提供了概念基礎。

圖1 生物啟發的具有微纖-納米纖維交織多尺度結構的冷凍凝膠

圖2 微納纖維組裝的多尺度殼聚糖冷凍凝膠的制備

  為解決這一挑戰，武漢大學資源與環境科學學院陳朝吉教授、施曉文教授團隊聯合武漢大學土木建筑工程學院歐陽穩根教授團隊基于剪切流體誘導的微納米纖維組裝策略，在殼聚糖溶液中定向形成高長徑比的殼聚糖微米纖維以及納米纖維。通過冷凍-解凍的方法，兩種不同尺度的纖維可以受到冰晶生長的驅動自組裝形成交錯微纖維和納米纖維的互連三維（3D）網絡結構，無需冷凍干燥即可形成力學性能良好的殼聚糖冷凍凝膠（CMNF）。在這個多尺度網絡中，納米纖維起到連接微纖維的作用，提高了穩定性，而微纖維通過長程相互作用提高了CMNF冷凍凝膠的彈性。雙尺度纖維的協同作用賦予CMNF冷凍凝膠與單尺度纖維組裝的冷凍凝膠相比具有優異的力學性能，包括超高極限應變（97%應變，50次循環）、優異的抗疲勞性（3200次循環壓縮，60%壓縮應變）和快速水觸發形狀恢復（小于1秒恢復）。此外，纖維狀CMNF冷凍凝膠還可用于柔性電子和環境污染物處理方面。

圖3 殼聚糖冷凍凝膠的力學性能

  研究者系統研究了所制備冷凍凝膠的力學性能。CMNF冷凍凝膠可以很容易地壓縮，隨著施加載荷的釋放，由于其高孔隙率，CMNF冷凍凝膠可以在約180毫秒內快速吸水并完全恢復其原始形狀。進一步重復壓縮實驗表明，CMNF冷凍凝膠即使在50次重復超高壓縮應變（97%）下，仍具有優異的結構穩定性。與其他聚合物冷凍凝膠相比，該方法獲得的冷凍凝膠具有更高壓縮性、優異的抗疲勞性和顯著提高的穩定性。

圖4 不同尺度纖維網絡的壓縮力學模擬

  采用有限元模擬方法研究了冷凍凝膠的壓縮力學性能，并用纖維網絡模型進行了模擬。研究者分別構建微米、納米和微納米混合纖維網絡模型，進一步分析了模型在壓縮過程中的應力-應變曲線以及von-Mises應力分布。混合纖維網絡中的最大von-Mises應力顯著高于僅由單一纖維組成網絡中的應力。對于單獨的微纖維網絡，盡管每根大纖維都足夠堅固，但網絡結構連接松散且容易變形。相比之下，納米纖維網絡中纖維之間廣泛交聯，配合其高的長徑比形成穩定而柔軟的結構。混合纖維網絡克服了由單一類型纖維網絡的缺點，應力分布表明，由大纖維形成的骨架是混合纖維網絡中的主要承力部分，大纖維和小纖維之間強而緊密的交聯賦予了網絡優異的力學性能。

  上述研究成果以“Bioinspired Multiscale Micro-/Nanofiber Network Design Enabling Extremely Compressible, Fatigue-Resistant, and Rapidly Shape-Recoverable Cryogels”為題在線發表于期刊《ACS Nano》上。該研究工作由武漢大學完成，武漢大學資源與環境科學學院博士研究生齊魯荷為論文第一作者，武漢大學陳朝吉教授、施曉文教授和歐陽穩根教授為論文通訊作者。感謝武漢大學、國家自然科學基金委和中央高校基本科研業務費專項資金對該工作的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10462

  招聘啟事：武漢大學陳朝吉教授課題組主要從事生物質基環境友好功能材料研究，目前課題組亟需新生力量（碩士研究生、博士研究生、聯培生、博后、預聘崗研究員系列及固定崗講師/副教授）加入，歡迎具有高分子化學、材料、能源環境、生命周期評估或理論計算相關背景的同學和學者加入團隊（http://biomass.whu.edu.cn/index.htm）。現課題組擬招聘1-2名博士后，年齡原則上不超過35歲，卓越博士后年薪35-40萬、重點資助博士后年薪25-30萬（特別優秀者面議），另有科研獎勵。感興趣者歡迎直接聯系陳朝吉教授（chenchaojili@whu.edu.cn），郵件附上簡歷及1-3篇代表性學術論文并注明應聘。