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研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
水凝膠材料應用難題
水凝膠柔軟、高含水，與生物組織高度相似，是當前最受關注的生物材料。然而，水凝膠力學性能不足，極易損壞，導致其在生物醫學領域的應用十分受限。多年來，國內外研究人員一直致力于攻克這一難題，誰先取得突破，誰就擁有了開發應用的先機。近幾年，伴隨著產業界對水凝膠的關注度不斷提升，相關技術的開發儼然已進入白熱化競爭階段。然而時至今日，力學性能不足這一問題始終沒有得到有效解決。
盡管研究人員了嘗試了多種方案，例如雙網絡策略以及基于聚乙烯醇的結構優化策略，但這些方案總是以犧牲水凝膠的制備為代價。換句話說，其制備所需要的時間和條件都不足以滿足臨床應用需求。
破局技術初現
上海交通大學林秋寧研究員/朱麟勇教授課題組專注水凝膠材料研究十余年，在這方面積累了豐富的基礎。為了克服上述難題，團隊從水凝膠設計的源頭——交聯反應——出發，提出一種全新的水凝膠構筑技術。該技術能夠“點石成金”，將常規的大分子原料簡單混合，僅需數秒光照即可獲得既強（15.3 MPa）又韌（138.0 MJ m-3）的水凝膠材料。另外，制備的水凝膠材料能夠循環拉伸超過10萬次，展示了驚人的回彈性與耐疲勞性，完全能夠與非水體系的彈性體材料如橡膠、聚氨酯等相媲美。
論文截圖
可以說，該技術顛覆了水凝膠材料的制備方式與力學屬性，也意味著高強韌水凝膠材料的制備將從此變得輕而易舉?；谠摷夹g突破，原本無法加工的高精密、復雜水凝膠器件（如支架、血管等），現皆可通過光投影3D打印進行加工制造。
圖1水凝膠技術的優勢與典型應用
起底技術原理
為了闡明水凝膠技術背后的原理，團隊以聚乙二醇和透明質酸構筑的水凝膠為例，對凝膠原理以及凝膠過程進行了系統分析論證。團隊發現，該水凝膠材料自發形成了獨特的微觀結構。該結構對于材料強度和韌性的提升都十分有益。例如，經過配方調整，該技術既能構筑拉伸性能優異的水凝膠材料：拉伸至原始長度的28倍，亦能構筑強度極其出色的水凝膠材料：強度代表共價水凝膠的最高水平。但無論配方如何調整，該技術制備的水凝膠都能夠兼顧強度與韌性性能，克服材料“強韌互斥”的普遍矛盾。更重要的是，受益于自發的結構形成過程，水凝膠制備所需的時間極短、條件溫和，因此具有臨床轉化應用的潛力。
圖2 水凝膠技術的交聯反應原理
技術應用前景
團隊就本論文提出的“光偶聯反應”原創凝膠技術進行了完整的知識產權布局，從原料、制備、配方、產品及其臨床應用進行全面保護，截止目前，共申請中國、PCT、美國、歐洲和日本等發明專利20項，已授權中國發明專利10項、美國發明專利3項、日本發明專利1項?；诖?，團隊開發了多款水凝膠墨水，可廣泛應用于數字光處理（DLP）、擠出式等3D打印技術，用于加工制造高精度、復雜形狀的水凝膠結構。同時，團隊就該技術進行臨床轉化，當前已完成產品的工程化、安全性驗證以及注冊檢驗，定型了兩款光固化醫用膠產品，分別完成了多中心臨床試驗，并提交1項創新醫療器械申請。技術臨床轉化所依托的醫療科技公司已完成A輪融資。
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