引言
水凝胶是一种富含水的由三维交联聚合物网络组成的软材料。水凝胶因具有类似于生物组织的富水软结构, 有希望广泛用于生物医学中[1,2,3]。如, 水凝胶为细胞培养提供平台, 所以在基于干细胞的组织工程中水凝胶发挥着至关重要的作用[4]。此外, 水凝胶也被认为是可以在将来替代人工器官的主要物质[5]。最近,关于聚合物网络结构的研究使得具有优异力学性能的水凝胶的合理设计成为可能, 这使得实现再生医学应用的目标更加有可能实现。
生物组织因其发达的微观结构，可表现出优异的各向异性机械性能。受肌肉排列结构的启发，通过对比天然木材的高抗张强度与水凝胶的柔韧性和高含水量，从而开发出一种高度各向异性，坚固且导电的木材水凝胶（图1）。由于木材中排列的纤维素纳米纤维与聚丙烯酰胺聚合物两者之间的结合牢固和交联情况，木材水凝胶在沿纵向显示出约36 MPa的高抗拉强度。木质水凝胶的强度分别是细菌纤维素水凝胶和未改性的聚丙烯酰胺水凝胶的5倍和500倍，是有史以来最强的水凝胶之一。 由于带负电荷中对齐的纤维素纳米纤维，木材水凝胶也是称得上是出色的纳米流体导管，在低浓度下的离子电导率高达5times;10-4 S cm-1，可进行类似于生物肌肉组织的高选择性离子迁移。这项工作为制造潜在的生物材料和纳米流体应用中的各种坚固，各向异性，柔性和离子导电性的木质水凝胶提供了一种有前途的策略。
活生物体的软组织，例如肌肉,软骨，肌腱和韧带，由生物凝胶组成，这些生物凝胶具有高度各向异性的机械特性，并具有排列整齐的结构，并且在离子和小分子的运输中起着至关重要的作用。由于具有3D结构，出色的柔韧性，生物相容性和高水含量，水凝胶被誉为模拟天然组织的最佳候选材料之一，用于生物医学和生物工程应用，例如药物输送，软致动器，电化学装置，和人造肌肉。但是大多数人造纤维素基水凝胶的机械性能较弱且无序均匀的结构，严重限制了它们的应用近年来，通过定向冻结，反应扩散过程，静电排斥，应变或压缩-诱导重新定向，和自组装。这些水凝胶均表现出改善的各向异性，这在其结构和机械性能上均得到反映。然而，由于缺乏增强的结构和有效的能量耗散，常规水凝胶的拉伸应力仍不能达到10 MPa。生物软组织由于其高度有序的分层纳米复合结构而表现出各向异性的机械性能。例如，骨骼肌组织中包含由多核肌肉细胞组成的高度定向的，密集堆积的肌纤维束。这种有序的结构对于肌肉纤维传递力和有效收缩至关重要。因此，将高度有序的纳米复合结构引入水凝胶网络将是一种获得优异的各向异性和强水凝胶的有效方法，用于生物工程应用。受肌肉的启发，通过将结实而刚直的木质纳米纤维与弱而有弹性的聚丙烯酰胺水凝胶相结合，开发了一种坚固的各向异性木质水凝胶[6]。
图1：木材水凝胶的结构示意图和网络微观结构。a）由木材水凝胶模拟的常规柔性和横纹骨骼肌组织的示意图。b）将木质水凝胶样品扭曲 180 度的图像。c）描绘木材水凝胶氢键和 PAM 链之间的共价交联
1.水凝胶的概述
水凝胶是以水为分散介质的凝胶。将一部分疏水基团和亲水残基引入具有网状交联结构的水溶性高分子中，使水分子与亲水残基结合，使水分子连接在网状内部、疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。成为一种高分子网络体系，性质柔软，能够保持一定的形状，同时还可以吸收大量的水。
像生物组织一样，水凝胶内部含有丰富的水分，可以看作人体组织和器官潜在的替代物。但是，绝大部分合成的水凝胶本质上还是各向同性凝胶，不具备像肌肉、角膜、软骨和心脏瓣膜等人体组织在微观尺度上各向异性结构和优异的力学性能。因此，众多材料科学家一直在努力寻找制备具备高度取向的微观结构同时还可以随方向改变的力学性能各向异性水凝胶的新方法，并且拓展水凝胶在传感、传质、驱动和诱导细胞取向生长等领域的应用。
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