Engineering Robust Anisotropic Hydrogels via Fracture-Mechanics-Inspired Dissipation Design for Tendon Repair

自愈水凝胶 材料科学 各向异性 复合材料 模数 组织工程 消散 生物相容性材料 弹性模量 生物医学工程 聚乙烯醇 肌腱 纳米技术 自愈 弹性(物理) 偷看 弯曲分子几何
作者
Xiayue Yang,DuJiang Yang,Huimin Lu,Luhua Jiang,Zihe Liu,Yichun Zhang,Hongxiang Huang,Bingyi Jiang,Rong Ran,Wei Lin Cui
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.6c01209
摘要

Abstract: Tendon injuries create a pressing demand for biomimetic materials capable of replacing damaged tissues. Anisotropic hydrogels are promising candidates, yet their mechanical performance and structural fidelity often fall short of native tendons. Here, we present a theory-inspired design strategy for robust anisotropic hydrogels by distilling essential principles from classical fracture mechanics that emphasize the concurrent enhancement of the energy-dissipation length L and the energy-dissipation density W. We show that enlarging L requires a modulus contrast within the network, whereas increasing W relies on chain densification. Guided by this framework, we employed an orientation/salting-out (O/S) approach to construct anisotropic hydrogels from an alginate (Alg)/polyvinyl alcohol (PVA) system. The selection of this pair is key: semi-rigid, metal-cation-responsive Alg chains retain orientation and form fibrillar domains during O/S treatment, while flexible, anion-sensitive PVA chains undergo salting-out-induced densification into a disordered matrix. This complementary arrangement yields a tendon-like architecture featuring a pronounced modulus contrast that extends L and a dense flexible matrix that enhances W. The resulting hydrogels exhibit exceptional mechanical properties, rivalling state-of-the-art tough hydrogels and biological tissues. Their biocompatible anisotropic structure supports directional cell alignment, and in vivo evaluation in a rabbit model confirms their promise as artificial tendon substitutes.
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