Enzymatically-mineralized double-network hydrogels with ultrahigh mechanical strength, toughness, and stiffness

自愈水凝胶 细菌纤维素 纳米纤维 材料科学 纤维素 复合材料 韧性 断裂韧性 化学工程 离子键合 化学 高分子化学 离子 工程类 有机化学
作者
Li Wang,Wei Zhao,Yining Zhao,Wei Li,Guodong Wang,Qiang Zhang
出处
期刊:Theranostics [Ivyspring International Publisher]
卷期号:13 (2): 673-684 被引量:8
标识
DOI:10.7150/thno.77417
摘要

Background: Synthetic hydrogels are commonly mechanically weak which limits the scope of their applications.Methods: In this study, we synthesized an organic-inorganic hybrid hydrogel with ultrahigh strength, stiffness, and toughness via enzyme-induced mineralization of calcium phosphate in a double network of bacterial cellulose nanofibers and alginate-Ca 2+ .Results: Cellulose nanofibers formed the first rigid network via hydrogen binding and templated the deposition of calcium phosphate, while alginate-Ca 2+ formed the second energy-dissipating network via ionic interaction.The two networks created a brick-mortar-like structure, in which the "tortuous fracture path" mechanism by breaking the interlaced calcium phosphate-coated bacterial cellulose nanofibers and the hysteresis by unzipping the ionic alginate-Ca 2+ network made a great contribution to the mechanical properties of the hydrogels. Conclusion:The optimized hydrogel exhibited ultrahigh fracture stress of 48 MPa, Young's modulus of 1329 MPa, and fracture energy of 3013 J/m 2 , which are barely possessed by the reported synthetic hydrogels.Finally, the hydrogel represented potential use in subchondral bone defect repair in an ex vivo model.
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