强韧超结构多孔水凝胶实现动态软组织的生物适应性修复

将多种矛盾性能精妙协同集成于单一材料，是动态软组织缺损修复的核心关键，同时也是材料研发的一大难题。受人体膈肌结构的生物启发，本文通过一体化成型工艺，成功制备出具备各向异性骨架与非对称多孔界面的强韧超结构多孔水凝胶。依托各向异性结构的协同增韧效应与氨基酸的霍夫迈斯特效应，该水凝胶兼具优异力学性能与抗疲劳特性：拉伸强度达22.2MPa、弹性模量达32.4MPa，可提供强效力学支撑；断裂韧性为61.9MJ/m³、疲劳阈值为5.6kJ/m²，能够有效抵御创面愈合初期的动态拉伸形变。在创面愈合后期，该水凝胶的力学性能可梯度衰减，最大程度降低对机体生理活动的束缚。此外，雌性家兔膈肌缺损修复模型实验证实，材料的非对称多孔界面可同时实现阻隔脏器粘连、促进缺损创面愈合双重效果。综上，该仿生层级结构水凝胶为研发适配动态软组织缺损修复严苛需求的新型仿生层级生物材料，提供了极具应用前景的全新思路。

文章核心创新点：

仿生结构设计层面：以人体膈肌为仿生原型，通过一体化成型构建兼具各向异性骨架与非对称多孔界面的强韧超结构多孔水凝胶，突破传统水凝胶结构单一的局限，为动态软组织缺损修复提供全新设计范式。

力学性能层面：材料拉伸强度达22.2MPa、弹性模量达32.4MPa，断裂韧性达61.9MJ/m³，疲劳阈值达5.6kJ/m²，兼具高强度、高模量与优异抗疲劳特性，可满足动态软组织的承重需求，抵御愈合初期反复动态拉伸形变，避免材料过早失效。

时序调控层面：首创力学性能按需梯度衰减设计，实现“先支撑、后释放”的时序性调控，在创面愈合后期逐步降低材料力学强度，减少对机体正常生理活动的束缚，区别于传统静态修复材料。

界面功能层面：依托非对称多孔界面实现防粘连与促愈合一体化的双重生物学功能，解决了动态软组织修复中“修复与防粘连难以兼顾”的临床痛点。

转化验证层面：通过雌性家兔膈肌缺损修复模型完成体内有效性与生物相容性验证，为动态软组织缺损修复的新型仿生层级生物材料研发开辟了全新方向。

整体研究形成“生物仿生—结构设计—性能调控—功能集成—临床转化”的完整创新链条，实现力学增强、抗疲劳、时序降解、防粘连与促愈合的多重协同，为下一代智能修复材料提供了系统性创新方案。

研究背景

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动态软组织支撑动脉搏动、呼吸、肠道蠕动等核心生理活动，依赖多维力学与生物性能的精准协同，其天然结构具备共性特征：各向异性肌纤维层提供高强抗疲劳性，两侧非对称功能层承担差异化生物作用。这要求修复材料必须完成多重矛盾性能的适配：兼顾支撑刚度与拉伸韧性，同步实现促愈合与防粘连，且力学性能需随组织愈合进程梯度衰减，避免长期束缚机体活动。

传统水凝胶力学性能薄弱，现有改性与仿生研究多基于多网络体系，难以通过简单调控适配动态愈合的差异化需求，兼具多级结构与全周期力学适配性的单网络水凝胶仍是领域难点。

本文以膈肌为仿生原型，采用定向冷冻辅助渐进式溶剂置换的一体化工艺，制备出兼具各向异性骨架与非对称多孔界面的强韧超结构多孔水凝胶。依托共熔溶剂效应稳定各向异性结构，结合氨基酸霍夫迈斯特效应强化高分子链聚集，材料实现22.2MPa拉伸强度、32.4MPa弹性模量的高强支撑，同时具备61.9MJ/m³断裂韧性与5.6kJ/m²疲劳阈值，可耐受反复生理拉伸。通过疏水改性实现力学性能的生物自适应梯度衰减，经家兔体内验证，其非对称界面可同步达成促组织再生与脏器防粘连效果，为动态软组织修复材料提供了全新研发路径。

结果解析

HAA-SPVA 水凝胶的制备与结构示意图

SPVA水凝胶的形貌及其形成机制

SPVA、AA-SPVA 及HAA-SPVA 水凝胶的生物力学性能

HAA-SPVA 水凝胶的多尺度增强机制

HAA-SPVA 水凝胶的生物相容性与不对称生物黏附行为

HAA-SPVA 水凝胶在体内的不对称生物黏附与生物力学支撑作用

研究结论

本研究通过独特的定向冷冻辅助渐进式溶剂置换法，成功制备出一种性能优异的超结构多孔水凝胶。通过引入氨基酸进一步增强其韧性，该水凝胶能够模拟动态软组织的多尺度生物原型，从而实现了多种矛盾性能的协同组合——既具备高强度、高刚度、高韧性及抗疲劳等优异力学性能，又兼具抗黏附与促愈合等生物学特性。此外，借助疏水改性实现的缓慢机械卸载过程，可使该水凝胶具备生物力学适应性，以满足组织缺损在不同愈合阶段的需求。由此可见，本研究提出的强韧型多尺度仿生水凝胶制备策略，必将为软组织工程领域中水凝胶的设计与实际应用开辟更广阔的发展前景。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58062-4