A Facile Method to Fabricate Anisotropic Hydrogels with Perfectly Aligned Hierarchical Fibrous Structures

材料科学 微尺度化学 自愈水凝胶 韧性 聚合物 极限抗拉强度 复合材料 纳米- 各向异性 纳米尺度 纳米技术 高分子化学 数学 量子力学 物理 数学教育
作者
Md. Tariful Islam Mredha,Yun Guo,Takayuki Nonoyama,Tasuku Nakajima,Takayuki Kurokawa,Jian Ping Gong
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:30 (9) 被引量:378
标识
DOI:10.1002/adma.201704937
摘要

Abstract Natural structural materials (such as tendons and ligaments) are comprised of multiscale hierarchical architectures, with dimensions ranging from nano‐ to macroscale, which are difficult to mimic synthetically. Here a bioinspired, facile method to fabricate anisotropic hydrogels with perfectly aligned multiscale hierarchical fibrous structures similar to those of tendons and ligaments is reported. The method includes drying a diluted physical hydrogel in air by confining its length direction. During this process, sufficiently high tensile stress is built along the length direction to align the polymer chains and multiscale fibrous structures (from nano‐ to submicro‐ to microscale) are spontaneously formed in the bulk material, which are well‐retained in the reswollen gel. The method is useful for relatively rigid polymers (such as alginate and cellulose), which are susceptible to mechanical signal. By controlling the drying with or without prestretching, the degree of alignment, size of superstructures, and the strength of supramolecular interactions can be tuned, which sensitively influence the strength and toughness of the hydrogels. The mechanical properties are comparable with those of natural ligaments. This study provides a general strategy for designing hydrogels with highly ordered hierarchical structures, which opens routes for the development of many functional biomimetic materials for biomedical applications.
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