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机械 加拿大阿尔伯塔曾宏波院士《材料化学》似生物组织可自我保护的动态柔性水凝胶( 三 )

机械 阿尔伯塔 材料化学


示意图2.应变加强机理的图示
8.自愈特性及相关的相互作用机制
当生物组织的应变增强能力无法将完整性维持在最大应变以上时 ， 它们会采用自我修复的策略来修复损伤并恢复原始特性 。 应变强化水凝胶也具有这种仿生自我修复功能 。 如图6a-d所示 ， 在将两片分离的水凝胶接触后 ， 水凝胶可以相互粘附 ， 并在几秒钟内自动融合为一件 。 自修复的水凝胶可以很容易地克服自身重量提起而不会破裂 。 通过连续的应变扫描进一步研究了水凝胶的自愈特性 。 发现在高应变（γ= 6.0 ， 高于γmax= 2.9）损坏后 ， 受损的水凝胶不仅可以立即自我修复以恢复原始机械强度 ， 而且还可以完全保留应变加劲能力（图6e） 。 在其他具有不同聚合物浓度的水凝胶中也观察到了类似的自我修复行为 。 通过执行循环应变阶跃测试 ， 可以进一步确认自我修复性能的可重复性 ， 其中即使在反复破坏水凝胶后 ， G'和G''都可以完全恢复到原始值（图6f） 。
图6. BL4k的自愈过程（硼酸/糖= 1：1 ， 10 w / v％ ， T = 25°C） 。 （a）原始水凝胶 ， （b）将水凝胶切成两段 ， （c）使分离的水凝胶接触 ， 并且（d）可以将自愈的水凝胶提起以抵消其自身重量 。 （e）BL4k的顺序应变扫描（硼酸/糖的摩尔比= 1：1 ， 10 w / v％ ， T = 25°C） 。 （f）在（e）中测试的水凝胶的循环应变阶跃测试 。 （g）力-距离曲线显示了在三个连续的进近分离力测量中P（AM-co-LAEMA）与DPB-PEG之间的相互作用 。
【机械|加拿大阿尔伯塔曾宏波院士《材料化学》似生物组织可自我保护的动态柔性水凝胶】9.3D细胞封装
该仿生水凝胶的潜在应用将用作人工ECM ， 以包裹细胞并进一步生长用于组织工程的人工组织或器官 。 培养癌细胞对于建立精密医学的肿瘤组织模型尤为重要 。 该研究中 ， 选择HeLa细胞作为模型细胞 ， 以初步研究水凝胶的细胞毒性和3D细胞包封能力 。 如图7a ， b所示 ， 活细胞（绿色）占死细胞（红色）的大部分 。 24小时后 ， 在5和10 w/v％BL4k水凝胶中 ， 细胞活力均估计为约80％（图7c） ， 这证实了该水凝胶的出色生物相容性 。 但是 ， 与均匀分布在10 w/v％水凝胶中的HeLa细胞的圆形形态相比 ， 这些细胞在5 w/v％水凝胶中呈现出扁平的形态并沉入底部 。 结果表明 ， 较低的材料刚度无法为细胞生长提供理想的3D环境 。
图7.在（a）5 w/v％ ， （b）10 w/v％BL4k水凝胶中培养的HeLa细胞的3D共聚焦显微镜图像 。 （c）孵育24小时后进行细胞活力定量分析（活对照：DMEM + 10％FBS；死对照：70％乙醇） 。 从随机选择的五个视野中拍摄图像 ， 并使用Imaris Imaging Software进行定量 。
【名校简介】
阿尔伯塔大学(University of Alberta) ， 始建于1908年 ， 位于加拿大阿尔伯塔省省会埃德蒙顿市中心 ， 北萨斯喀彻温河南岸 ， 学校所在的阿尔伯塔省蕴藏着丰富的石油、天然气 ， 是加拿大的能源基地 。 该省也因此成为近年来加拿大经济财政发展最兴旺蓬勃的地区 。 阿尔伯塔大学是加拿大的一所综合研究性大学 ， 目前共有共有30000多名在校学生 ， 6000多名教学人员和8000多名工作人员 ， 学校在加拿大研究型大学排名前五 ， 世界大学综合排名前百 。
【导师简介】
曾宏波（Hongbo Zeng） ， 2001年和2003年在清华大学化工系先后获得学士和硕士学位 ， 2007年在美国加州大学圣芭芭拉分校获得博士学位 。 现为加拿大阿尔伯塔大学化学工程和材料工程系终身教授 ， 加拿大国家讲席教授 ， 加拿大分子力和界面科学领域首席专家 。 曾宏波的研究方向主要包括胶体与界面科学、分子和纳米力学、界面化学、高分子材料、生物材料、纳米材料、多孔介质和复杂流体中的界面现象、矿物工程中的界面现象、石油工程的界面现象和污水处理等 。
参见文献：
doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03526
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