北海道大学龚剑萍教授《Mater. Horiz.》：内循环助力双网络水凝胶可持续机械化学增长
肌肉增长在微观上是肌纤维受力撕裂后重塑的代谢活动，是动态的，可持续的过程，由血管源源不断的输送营养物质至肌细胞，应用于肌肉组织。一般的人造材料无法构建具有类似于肌肉的增长、代谢特性，因其无法满足生物体重塑过程中的要素如1）营养吸收，2）原有结构破坏，3）原有结构破坏导致新结构的合成。如金属、塑料等，在反复的压力下会逐渐失去耐用性。因此，构建可以代谢、训练的自增长材料有着广阔的应用前景和研究价值。
近日，北海道大学龚剑萍教授团队以血管供给营养物质-肌肉结构破坏-重塑的增肌训练过程为原型，构建了具有内部通道结构的双网络（Channel Double-network, c-DN）水凝胶。通过凝胶内部通道输送“养分”，构建水凝胶-溶液循环系统。由于水凝胶材料同时具有液体（渗透和扩散）和固体（维持形状和强度）的性质，通过溶液内循环，c-DN水凝胶可实现物质渗透并维持水凝胶的湿润性。此外，与普通水凝胶不同，双网络水凝胶通常由硬而脆的聚电解质构成第一重网络结构，高度可拉伸的柔性聚合物构成第二重网络。在受到机械负载时，脆性网络会在内部破裂，而柔性的聚合物网络则穿插缠绕在破裂的脆性网络中，使双网络水凝胶碎而不破，裂而不断，赋予其极高的韧性。有趣的是，伴随着脆性聚合物链断裂，大量的链端碳自由基产生，因此，当双网络水凝胶受到机械载荷时，虽然内部发生结构破坏，同时产生的自由基却可以引发聚合反应。基于此，负载有单体的双网络水凝胶就可以通过力致自由基引发单体形成新的聚合物网络，达到破坏原始结构-形成新结构的自增长机制。在此过程中，由内部通道输送“养分”（单体）并渗透于水凝胶内部，补充自由基聚合过程中消耗的单体，便可持续形成新的聚合物网络，从而完成“破坏-代谢-重塑”的增长过程。此外，通过拉曼光谱检测新增聚合物含量后发现，在双网络凝胶中，自由基可长时间保持引发活性，在首次拉伸后，自由基引发的聚合物网络增长过程可持续数小时之久。该工作以“Sustainable mechanochemical growth of double-network hydrogels supported by vascular-like perfusion”为题发表在《Material Horizons》上。文章第一作者是北海道大学博士生魏谷米，共同通讯作者为北海道大学生命科学学院的中岛佑（Tasuku Nakajima）副教授和北海道大学生命科学学院的龚剑萍（Jian Ping Gong）教授。该工作得到了日本学术振兴会（JSPS）和文部科学省（MEXT）的支持。
图1 具有类血管灌注的通道型双网络水凝胶持续机械化学生长 (a) 血液循环为增肌过程提供营养 (b) 含有内部通道的c-DN 水凝胶以维持单体溶液循环（c）c-DN水凝胶的内部溶液循环与扩散（d）破坏-代谢-重塑机制：拉伸导致脆性网络（深蓝色）断裂，产生链端自由基并引发单体聚合形成新的聚合物网络（浅蓝色），内部循环扩散以持续供给单体。
该工作通过模版法在双网络凝胶内部构建通道，利用电泵驱动凝胶内与外部溶液的循环，在力致自由基引发聚合的过程中持续供给单体。此外，水溶液的内部循环可以有效补充因凝胶表面水分挥发造成的失水，防止水凝胶干燥失效，保持凝胶的含水量与柔性。这一特点作为c-DN水凝胶长时间可持续自增长的基础，在重复拉伸的过程中实现后续的机械化学增强。
视频1 c-DN水凝胶的内部溶液灌注与循环拉伸。
图2 具有内部通道结构的双网络（Channel Double-network, c-DN）水凝胶。
研究者在循环通入单体不同时间后拉伸c-DN水凝胶引发单体的原位聚合，并利用激光共聚焦显微镜和疏水区荧光探针标示出新形成的聚合物（高温时疏水），随着溶液循环时间的延长，荧光区域逐渐扩大，有效显示出单体从内部通道扩散至外表面的过程。
图3 通过荧光强度分布可视化单体分子扩散
当对c-DN 凝胶施加机械负载时，脆性聚合物网路内部发生结构破坏，产生自由基并引发单体聚合，同时内部循环不断提供新的单体，以维持聚合物网络的持续性增长。拉伸后的c-DN水凝胶强度增加并可提升重物，呈现出类似于肌肉的生长现象。
图4 由内部单体循环供给的c-DN水凝胶在重复机械变形下的类肌肉增长行为。
利用拉曼光谱，研究者探究了在持续供给单体的状态下，首次拉伸后，双网络凝胶中自由基引发的新增聚合物含量变化。预先循环单体溶液至饱和后，拉伸负载有单体的双网络水凝胶，在拉伸后的不同时间段，终止内部的单体溶液循环，排空管道内的溶液并将c-DN水凝胶从低氧环境中移出。用大量水浸泡出凝胶内未反应的单体后，测试新增聚合物的拉曼信号。结果表明，凝胶内部的自由基可持续引发聚合，增长过程持续数小时。
图5 (a, b) 首次拉伸后，机械性能的增长 (c) 属于新增聚合物的拉曼信号（蓝色箭头标示）在6小时内持续增强 (d,e) 化学和机械参数的生长-时间曲线 (f) 机械增长相对于化学增长的滞后性
该工作是北海道大学龚剑萍教授团队近期关于双网络水凝胶力致自增长研究的最新进展之一。在以往的工作中，持续的单体供给和长时间的重复机械训练使自增长过程受限于溶液环境中，给后续的定量研究和应用带来极大困扰。而单体溶液的循环灌注则不仅补充了聚合消耗的单体，也同时维持了水凝胶的含水量与柔性，使双网络凝胶的机械化学过程不受限于水下环境。通过观测聚合物生长和机械强化的过程，研究者发现了双网络水凝胶中机械化学反应的独特特征，包括极长寿命的自由基和延迟机械强化。这一结果将有望应用于响应机械刺激而提高本体机械强度的柔性机器人，力致自由基反应基质，自由基反应动力学监测等领域中。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01038d
