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Hierarchical crack-resistant, tissue-mimetic hydrogels enabled by progressive nanocrystallization of anisotropic polymer networks

材料科学 各向异性 自愈水凝胶 复合材料 弹性(材料科学) 聚合物 断裂力学 稳健性(进化) 聚乙烯醇 组织工程 纳米技术 周动力 压力(语言学) 微晶 多尺度建模 断裂(地质) 损伤容限 人工肌肉 自愈 弹性(物理) 微观力学 计算机科学 生物相容性
作者
Huamin Li,Haidi Wu,Cheng Guan,Wenjie Hu,Wenwen Su,D. Chen,Jiefeng Gao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 10890-10890 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41467-025-65917-3
摘要

Addressing the persistent challenge of reconciling extreme mechanical robustness with tissue-mimetic functionality in hydrogels, we present a phase-transition-guided hierarchical engineering strategy that progressively architectures anisotropic polyvinyl alcohol networks through sequential mechanical training, wet-annealing, and salting-out. This triphasic processing induces programmable structural evolution: (1) mechanical training aligns polymer chains, (2) wet-annealing relaxes the stress while stabilizes oriented crystallites through solvent-plasticized rearrangement, and (3) salting-out densifies the network via chain aggregation and hydrogen-bond proliferation. The resultant hierarchical architecture achieves high fatigue resistance (threshold: 2083 J·m-2) through multi-scale energy dissipation: sacrificial hydrogen bonds consume energy, while aligned crystalline domains pin the crack and deflect crack propagation via anisotropic stress redistribution. Demonstrating tissue-surpassing mechanics (tensile strength: 61 ± 3 MPa, toughness: 106 ± 27 MJ·m-3, fracture energy: 85 ± 9 kJ m-2) coupled with biological functionality, the hydrogel directs cell alignment through contact guidance while resisting swelling-induced dimensional instability (<1.2% volume change in physiological saline). This biomimetic engineering strategy establishes a universal route to design synthetic extracellular matrices that concurrently emulate the anisotropic mechanics of tendons and crack-blunting resilience of cartilage, critical for load-bearing tissue regeneration.
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