熱塑性聚氨酯（TPU）憑借優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)工程、柔性電子、智能驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但傳統(tǒng)TPU在滿足日益增長(zhǎng)的力學(xué)性能需求和實(shí)現(xiàn)原材料可再生目標(biāo)之間始終難以找到最優(yōu)解，這成為制約其持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。因此，開發(fā)高性能生物基聚氨酯彈性體，已成為可持續(xù)聚合物領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)傅堯教授團(tuán)隊(duì)從韌帶的梯度結(jié)構(gòu)中獲取靈感，提出動(dòng)態(tài)氫鍵誘導(dǎo)約束效應(yīng)（DHBCE）的創(chuàng)新分子工程策略，成功合成新型超強(qiáng)韌生物基呋喃類聚氨酯彈性體（PFPU）。生物基聚三亞甲基醚二醇（PO3G）作為軟相，賦予彈性體超延展性（類似韌帶膠原纖維）。2,5-呋喃二甲酰肼（FDHA）作為硬相的“可逆交聯(lián)點(diǎn)”，以驅(qū)動(dòng)軟相和硬相的梯度連續(xù)分布。這種仿生的“軟-硬”梯度雙連續(xù)微相結(jié)構(gòu)顯著提升了彈性體的強(qiáng)度和韌性（斷裂強(qiáng)度76.54 MPa，韌性589.75 MJ m?3）。該彈性體還具有優(yōu)異的生物相容性，支持微米級(jí)3D打印成人工韌帶，在關(guān)節(jié)滑液中保持穩(wěn)定的機(jī)械性能。文章第一作者為儲(chǔ)玉婷，文章通訊作者為李闖教授、傅堯教授。
本文亮點(diǎn)
1. 可持續(xù)原材料的創(chuàng)新：全生物基分子設(shè)計(jì)。以生物基多元醇（PO3G）和2,5-呋喃二甲酰肼（FDHA）作為聚氨酯原料的單體，替代傳統(tǒng)石油基聚氨酯，實(shí)現(xiàn)聚合物整個(gè)生命周期的綠色化。
2. 動(dòng)態(tài)氫鍵誘導(dǎo)的約束效應(yīng)（DHBCE）：突破強(qiáng)度-韌性互斥瓶頸。FDHA多重動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)促使軟相和硬相形成梯度雙連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的協(xié)同提升：彈性體的斷裂強(qiáng)度為76.54 MPa，韌性為589.75 MJ m?3，是天然韌帶的2.1倍，真實(shí)應(yīng)力為1.45 GPa（與天然蜘蛛絲相當(dāng)），突破了傳統(tǒng)TPU的性能限制。
3. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用驗(yàn)證：構(gòu)建仿生人工韌帶。通過(guò)3D打印技術(shù)制造仿生韌帶結(jié)構(gòu)，其機(jī)械響應(yīng)性能與天然韌帶一致（疲勞循環(huán)>1000次后性能無(wú)下降），為運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)提供了可定制的修復(fù)解決方案。
模仿韌帶的“纖維-基質(zhì)”協(xié)同機(jī)制，采用PO3G軟段構(gòu)建類似蛋白聚糖的能量耗散網(wǎng)絡(luò)，而FDHA硬段則形成了類似膠原纖維的有限增強(qiáng)相。通過(guò)調(diào)節(jié)FDHA的含量，實(shí)現(xiàn)分子網(wǎng)絡(luò)從弱連接的“海洋結(jié)構(gòu)”到強(qiáng)“軟-硬”梯度雙連續(xù)微相分離結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在外部力的作用下，由DHBCE介導(dǎo)的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行可逆的“解離-重構(gòu)”，使得生物基聚氨酯彈性體展現(xiàn)出超高的強(qiáng)度（76.54 MPa）、超高的韌性（589.75 MJ m?3）和高延展性（1797.2%），并且能夠舉起自身重量約10萬(wàn)倍的重物。
圖1. PFPU彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。a）人體韌帶組織的微觀結(jié)構(gòu)示意圖和PFPU彈性體的微觀結(jié)構(gòu)示意。b）PFPU彈性體的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)和從弱交聯(lián)的“海洋結(jié)構(gòu)”到強(qiáng)“軟-硬”雙連續(xù)微相分離結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變示意圖。c）P1F1PU彈性體（0.1 g）可舉起10 kg的重量。d）PFPU彈性體作為人工韌帶的應(yīng)用。e）與木質(zhì)素基PU和石油基PU相比，PFPU具有優(yōu)越的綜合性能。
通過(guò)多尺度表征對(duì)聚氨酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。PFPU聚氨酯具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)、良好的光學(xué)透過(guò)率以及豐富的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。小角X射線散射（SAXS）分析發(fā)現(xiàn)，隨著擴(kuò)鏈劑FDHA比例增加，聚氨酯的硬段尺寸和長(zhǎng)周期表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，P1F1PU具有最顯著的微相分離程度。原子力顯微鏡（AFM）圖像進(jìn)一步驗(yàn)證P1F1PU中形成了連續(xù)的“軟-硬”分層雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，這種雙連續(xù)微相分離結(jié)構(gòu)是彈性體優(yōu)異機(jī)械性能的重要因素。DFT模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了聚氨酯中豐富的多重氫鍵結(jié)構(gòu)。以上結(jié)果表明，F(xiàn)DHA通過(guò)精確調(diào)控動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了微相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分子相互作用的協(xié)同優(yōu)化。
圖2. PFPU彈性體的結(jié)構(gòu)特征。a）PFPU彈性體的XRD譜圖。b）PFPU彈性體的紫外可見光譜。插圖：P1F1PU透光展示，樣品厚度為0.1 mm。c) P1F1PU彈性體FTIR光譜中1600-1750 cm-1處的C=O峰擬合。d）PFPU彈性體的1D SAXS曲線。插圖：PFPU彈性體的2D SAXS圖像。e）PFPU彈性體長(zhǎng)周期和硬相尺寸的計(jì)算結(jié)果。f）PFPU彈性體的結(jié)構(gòu)示意圖。g）P1F1PU彈性體的AFM相圖。h）PFPU彈性體中的氫鍵結(jié)合能。i）P1F1PU彈性體的分子動(dòng)力學(xué)模擬和內(nèi)聚能密度的計(jì)算。
對(duì)DHBCE的精確調(diào)控能夠?yàn)閺椥泽w提供理想的強(qiáng)弱氫鍵比例和微相分離結(jié)構(gòu)，從而為該彈性體提供足夠的能量耗散和物理交聯(lián)位點(diǎn)，以增強(qiáng)其機(jī)械性能。P1F1PU的斷裂強(qiáng)度高達(dá)76.54 MPa，韌性為589.75 MJ m?3，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)1797.2%。P1F1PU的真實(shí)斷裂應(yīng)力達(dá)1.45 GPa，與典型的蜘蛛絲（0.8-1.5 GPa）相當(dāng)。由于拉伸過(guò)程中氫鍵的快速“斷裂-重構(gòu)”，P1F1PU表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。
圖3. PFPU彈性體的機(jī)械性能。a）PFPU彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b）PFPU彈性體的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。c）PFPU彈性體與先前報(bào)道的材料強(qiáng)度和韌性的比較。d）P1F1PU彈性體在不同應(yīng)變下的循環(huán)拉伸加載-卸載曲線。e）PFPU彈性體拉伸過(guò)程中氫鍵“滑移-重構(gòu)”的示意圖。f）原始、拉伸和恢復(fù)的P1F1PU彈性體的照片。g）不同應(yīng)變下P1F1PU彈性體的1D WAXS曲線。插圖：P1F1PU彈性體的2D WAXS圖像。h）P1F1PU彈性體的綜合性能。
PFPU彈性體表現(xiàn)出優(yōu)異的生物安全性。與L929細(xì)胞共培養(yǎng)3天后，細(xì)胞存活率大于90%。溶血率小于5%。小鼠皮下植入30天未觀察到明顯的異物反應(yīng)或炎癥，免疫組織化學(xué)染色分析顯示血管生成標(biāo)志物（CD31、α-SMA）的表達(dá)水平與對(duì)照組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。以上結(jié)果展現(xiàn)了PFPU彈性體作為醫(yī)療植入物的潛力。
圖4. P1F1PU彈性體的生物相容性評(píng)估。a）P1F1PU彈性體與對(duì)照組的細(xì)胞活性統(tǒng)計(jì)。b）P1F1PU彈性體和對(duì)照組的死/活細(xì)胞染色圖像。比例尺：50 μm。c）P1F1PU彈性體的溶血實(shí)驗(yàn)。d）P1F1PU彈性體植入后周圍組織的蘇木素和伊紅（H&E）染色。藍(lán)色箭頭表示炎癥細(xì)胞。比例尺：100 μm。P1F1PU彈性體植入后周圍組織免疫組織化學(xué)染色e）CD68、f）CD31和g）α-SMA，黑色箭頭表示新形成的血管。比例尺：100 μm。對(duì)照組和P1F1PU彈性體中陽(yáng)性細(xì)胞比例的定量分析e’）CD68、f’）CD31和g’）α-SMA。數(shù)據(jù)顯示為平均值± SD（n = 3）。*p < 0.05被認(rèn)為表示統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異，而“ns”表示無(wú)顯著差異。
P1F1PU彈性體具備良好的3D打印特性，可利用3D打印技術(shù)將P1F1PU彈性體加工成人工韌帶P1F1PU-BAL。P1F1PU-BAL在生理環(huán)境中具有出色的穩(wěn)定性，適用于長(zhǎng)期植入場(chǎng)景。此外，在1000次拉伸/壓縮循環(huán)加載-卸載實(shí)驗(yàn)中，P1F1PU-BAL均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞特性。
圖5. P1F1PU作為人工韌帶材料的評(píng)估。a）P1F1PU彈性體的3D打印過(guò)程示意圖。b）P1F1PU彈性體人工韌帶制備過(guò)程。c）P1F1PU彈性體3D打印的韌帶P1F1PU-BAL在混合酶溶液中隨時(shí)間的溶脹率，數(shù)據(jù)表示為平均值± SD，n = 3。d）韌帶P1F1PU-BAL溶脹前后表面紋理和細(xì)絲均勻性。e）在高濃度混合酶溶液中浸泡前后韌帶P1F1PU-BAL的模量和韌性。f）韌帶P1F1PU-BAL在1000次拉伸循環(huán)下（ε = 50%）的應(yīng)力衰減率和殘余應(yīng)變率。g）P1F1PU彈性體在1000次壓縮循環(huán)下（ε = 50%）的應(yīng)力衰減率和殘余應(yīng)變率。h）P1F1PU彈性體用作人工韌帶在不同角度下彎曲1000次循環(huán)的照片。
通過(guò)模仿韌帶的“纖維-基質(zhì)”協(xié)同機(jī)制，提出動(dòng)態(tài)氫鍵誘導(dǎo)約束效應(yīng)，開發(fā)出了一種具有超高強(qiáng)度和超高韌性的生物基聚氨酯彈性體。獨(dú)特的“軟-硬”梯度雙連續(xù)微相分離結(jié)構(gòu)賦予了彈性體出色的機(jī)械性能，包括超高的拉伸強(qiáng)度（76.54 MPa）、卓越的韌性（589.75 MJ m?3）、出色的斷裂真實(shí)應(yīng)力（1.45 GPa）以及優(yōu)異的疲勞和抗損傷性能。除優(yōu)異的機(jī)械特性外，P1F1PU還表現(xiàn)出良好的生物相容性，并且可以通過(guò)3D打印技術(shù)精確制造人工韌帶，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
