超强自修复的纳米结构胶体凝胶及其组织工程应用
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摘要
胶体凝胶是采取"自下而上"的方式以微、纳米胶体颗粒为基本结构单元,通过颗粒间物理或化学相互作用构建具有微观网络结构的凝胶材料体系。胶体凝胶特殊的粘弹性行为使这一类材料在大量工业领域中得以应用。尤其当胶体颗粒间以可逆的相互作用组装的胶体凝胶具有典型的自修复行为,即凝胶网络在破坏性剪切力作用下发生屈服,而当外力取消时材料自动恢复其力学强度。这一特殊的流变行为使这类自修复凝胶在组织工程和再生医学领域具有重要的应用价值,收到越来越多的关注[1-3]。然而,这一类材料体系中的两个重要的问题仍然未得到解答:1.由可逆的弱作用力构建的胶体凝胶普遍力学强度差,设计开发具有高强度的胶体凝胶已成这类材料推广应用的关键;2.对胶体凝胶的自修复基质的研究一直是该领域的空白,尽管可逆的颗粒间作用起着关键作用,但网络结构是否直接影响自修复行为一直未见深入研究。本研究以带相反电荷的二氧化硅和明胶纳米级胶体颗粒为基本结构单元,通过颗粒间静电作用力构建凝胶网络。通过调控颗粒间自组装构成我们制备出两相胶体均匀分布的双相胶体凝胶,并利用显微成像技术对凝胶自组装构成和影响凝胶结构的不同参数进行研究;利用流变学测试对胶体凝胶的粘弹性参数和自修复行为进行考察。更重要的是,我们进一步将胶体网络结构对凝胶力学强度和自修复行为的影响进行了深入探讨。首次开发出具有超强自修复性能的纳米结构复合材料胶体凝胶,并揭示了这一行为的基本原理,对开发类似的胶体凝胶材料体系具有指导意义。进一步,我们系统的考察了这一胶体凝胶材料作为生物材料在生物活性因子控释、体外细胞培养、以及骨组织工程中的应用,证实了这一新型材料体系在生物医学相关领域的重要应用价值。
We developed a novel composite colloidal gel with ultra-high self-healing capability through controlled assembly of amphoteric soft gelatin nanoparticles and negatively charged hard silica nanoparticles as building blocks. By carefully tuning the pH of the colloidal systems during network formation, we allowed controlled electrostatic assembly of these particles into homogeneous binary networks. Such nanostructured network led to fascinating mechanical behavior; we observed that after applying substantially destructive shear the binary gels not only recover but even exceed its initial elastic modulus immediately. We attribute this reinforcement effect to the evolutional change of the colloidal network, as evidenced by the significant coursing effect of the colloidal network after shearing. Our study provides new, critical insight into the structural and mechanical properties of composite colloidal gels and offers a general strategy for design of self-healing composite materials.
引文
[1]H.Wang,O.C.Boerman,Y.Li,J.A.Jansen,S.C.G.Leeuwenburgh.Biomaterials.2012.33:8695-8703.
    [2]H.Wang,Q.Zou,O.C.Boerman,Y.Li,J.A.Jansen,S.C.G.Leeuwenburgh.Journal of Controlled Release.
    [3]H.Wang,M.B.Hansen,D.W.P.M.L?wik,J.C.M.v.Hest,Y.Li,J.A.Jansen,S.C.G.Leeuwenburgh.Advanced Materials.2011.23(12):H119-124.

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