Natural-Wood-Inspired Ultrastrong Anisotropic Hybrid Hydrogels Targeting Artificial Tendons or Ligaments

自愈水凝胶 韧性 材料科学 纳米纤维 乙烯醇 纤维素 复合材料 聚合物 组织工程 各向异性 纳米技术 化学工程 生物医学工程 高分子化学 医学 工程类 物理 量子力学
作者
Lu Wu,Yue Kang,Xiaoyu Shi,Yuezhen Bin,Meijie Qu,Jianyi Li,Zhong‐Shuai Wu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (14): 13522-13532 被引量:82
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c01976
摘要

Hydrogels are able to mimic the flexibility of biological tissues or skin, but they still cannot achieve satisfactory strength and toughness, greatly limiting their scope of application. Natural wood can offer inspiration for designing high-strength hydrogels attributed to its anisotropic structure. Herein, we propose an integrated strategy for efficient preparation of ultrastrong hydrogels using a salting-assisted prestretching treatment. The as-prepared poly(vinyl alcohol)/cellulose nanofiber hybrid hydrogels show distinct wood-like anisotropy, including oriented molecular fiber bundles and extended grain size, which endows materials with extraordinarily comprehensive mechanical properties of ultimate breaking strength exceeding 40 MPa, strain approaching 250%, and toughness exceeding 60 MJ·m-3, and outstanding tear resistance. Impressively, the breaking strength and toughness of the reswollen preoriented hydrogels approach 10 MPa and 25 MJ·m-3, respectively. In vitro and in vivo tests demonstrate that the reswollen hydrogels do not affect the growth and viability of the cells, nor do they cause the inflammation or rejection of the mouse tissue, implying extremely low biotoxicity and perfect histocompatibility, showcasing bright prospects for application in artificial ligaments or tendons. The strategy provided in this study can be generalized to a variety of biocompatible polymers for the fabrication of high-performance hydrogels with anisotropic structures.
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