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力學性能的優(yōu)劣是決定水凝膠應用的關鍵因素。自2003年以來，研究人員相繼采用雙網絡等策略實現(xiàn)了水凝膠的高模量、高強度及高斷裂韌性。近年來，人們發(fā)現(xiàn)高強度水凝膠的疲勞性能較差，制約著其進一步發(fā)展。與之不同的是，天然生物組織（心臟瓣膜、肌腱、聲帶等）往往具有復雜的形狀和良好的抗疲勞性質，例如心臟瓣膜在人的一生中平均需開合幾十億次而不發(fā)生破壞。因此，如何模擬生物組織研發(fā)抗疲勞水凝膠成為領域內關注的焦點。

近日，西安交通大學唐敬達副教授與美國哈佛大學鎖志剛院士合作，模擬生物心臟瓣膜的軟硬相異質結構，使用數字光固化打印技術制備了兩相復合水凝膠，同步實現(xiàn)了水凝膠材料的復雜形狀和高疲勞門檻值。該研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊 Cell 姊妹刊 Matter上。

研究人員設計了由硬骨架和軟基體組成的復合水凝膠，兩種組分都是可拉伸水凝膠材料，具有顯著的模量差異，在界面上形成較強的拓撲粘接。復合水凝膠的疲勞門檻值高達441 J/m2。研究人員進一步利用醫(yī)學CT影像制作了具有心臟瓣膜形狀的復合水凝膠，設計了模擬血液循環(huán)的體外測試系統(tǒng)。結果表明均質水凝膠經過560次循環(huán)后就迅速發(fā)生破壞，而復合水凝膠經過10000次循環(huán)后仍然保持完整。該研究解決了水凝膠材料長期存在的難題，為其生物醫(yī)學應用提供了廣闊的前景。研究人員期望未來能研究出同時滿足力學性能及生物相容性要求的水凝膠心臟瓣膜。