软支撑组织，例如血管，半月板，软骨和肌腱，基本上是具有足够生物力学强度的水凝胶，其对于维持结构完整性和特定生物功能至关重要。这些负重组织一旦受到病理性退行性变化或创伤的损害，很难进行自我修复。再生医学的最新进展表明，植入生物相容性好的替代品是一种再现天然组织生物功能的较好方法。在这方面，迅速发展的高强度（HS）水凝胶被认为具有潜在的潜力，可以替代各种承重的软支撑组织。在开发高拉伸/压缩和可延展的水凝胶方面已经投入了更多的精力。然而，迄今为止报道的HS水凝胶远不能真正用于承重组织替代。

最近，天津大学的刘文广教授在《Materials Horizons》上发表了题为“Polymerization of N-acryloylsemicarbazide: A Facile and Versatile Strategy to Tailor-Make Highly Stiff and Tough Hydrogels”的文章，报道了他们在高强度水凝胶上的进展。他们将侧链上带有一个酰胺和一个脲基的特征单体（N-丙烯酰基氨基脲，NASC）作为机械增强剂，通过NASC侧链的强氢键交联来获得超分子聚（N-丙烯酰基半脲）（PNASC）水凝胶，其在溶胀平衡状态下抗张强度为1.7-4.7 MPa，在80％压缩应变下的抗压强度为6.5-23.4 MPa，杨氏模量为48.4-100.3 MPa，断裂能高达11.4 kJ m -2，并且具有出色的韧性，为5.66-20.35 MJ m -3，优于已报道的超分子聚合物水凝胶，包括先前报道的PNAGA水凝胶，这是由于酰胺和脲之间更紧密的氢键相互作用。 重要的是，该NASC可以与多种其他单体共聚，以定制具有特定功能（例如抗蛋白质结垢特性，抗凝活性）的多种超分子聚合物水凝胶。此外，与PNASC水凝胶管相比，浇筑制成的硬质聚（N-丙烯酰氨基脲-co-肝素甲基丙烯酰胺）水凝胶微管可以快速吻合兔的颈动脉破裂，从而延长了凝血时间，表明其用于暂时血管内分流的人造血管的巨大潜力。

图文导读

他们首先通过使氨基脲盐酸盐与丙烯酰氯反应合成NASC单体。将收集的NASC白色粉末与引发剂一起溶解在水中，并在室温下进行聚合。但是，光引发后仅形成沉淀而不是水凝胶。白色沉淀可能是由PNASC的强氢键相互作用引起的疏水相分离结构的快速形成所致。鉴于此，在DMSO /水（7/3，v / v）混合物中进行NASC的聚合。DMSO降低了PNASC的氢键强度，从而防止了相分离和沉淀的发生。然后将凝胶浸入水中以完全替代DMSO，从而完全恢复氢键相互作用，并最终形成水凝胶（图1b）。

为了验证PNASC水凝胶的溶胀稳定性，将从DMSO /水混合物中新鲜制备的PNASC凝胶浸入去离子和蒸馏水中，直到溶胀达到平衡。结果表明，由于氢键的重建，由不同的初始NASC浓度制备的所有PNASC凝胶都会发生不同程度的收缩。图1c，d显示，处于溶胀平衡状态的PNASC水凝胶具有出色的机械性能，拉伸强度为1.7-4.7 MPa，杨氏模量为48.4-100.3 MPa，断裂应变为341-638％，韧性为5.66-20.35 MJ m-3，远高于迄今为止报道的超分子聚合物水凝胶。值得注意的是，与PNAGA水凝胶相比，PNASC的杨氏模量提高了654倍，且与报道的取向纤维水凝胶，酶催化的矿化水凝胶以及物理交联的聚（甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸）（P（MAAm-co-MAAc））水凝胶的杨氏模量有相同的量级。

图1（a）：NAGA，NASC，PNAGA和PNASC的分子结构。（b）：当用水代替DMSO时，重建PNASC凝胶中酰胺和脲的氢键的示意图。（c）：拉伸应力-应变曲线。（d）：具有不同初始单体浓度（n = 3）的PNASC水凝胶的拉伸强度、杨氏模量和屈服强度。（e，f，g）照片描绘了PNASC-25水凝胶的高强度。（e）：79 g铝板可以通过一段水凝胶线（d = 0.6 mm）被提起且没有发生形变，尼龙绳穿过一块PNASC-25水凝胶板（3 cm×1.5）中的一个孔（3厘米×2.5厘米×0.2厘米）并提起一瓶重0.9kg的水，而不会发生水凝胶孔变形。水凝胶片能够承受自重（f）和70克铝片却不会塌陷（g）。

接下来，进行加载-卸载测试以说明PNASC水凝胶的高韧性机理。图2f显示PNASC-25水凝胶显示出较大的机械滞后环，即比以前报道的PNAGA-25水凝胶（PNASC-25水凝胶：2.33 MJ m -3；PNAGA水凝胶：0.0550）MJ m-3）具有更高的耗散能（Uhys）。为了阐明耗散机理，使用动态光散射（DLS）来表征低浓度下PNASC和PNAGA水溶液中氢键簇的形成。图2g显示在PNASC的水溶液中形成了大的团簇（数均值为452 nm），PDI为0.30，这表明在该溶液中形成了大小不同，强度不同的团簇。因此，在外部载荷下，弱团簇首先破裂以耗散能量，而强团簇则被维持以抵抗变形，最终导致高韧性和超硬性。为了进一步验证PNASC水凝胶中团簇的形成，分别记录了PNASC-25水凝胶在不同温度和应变速率下的应力-应变曲线。使用了Eyring模型去描述非共轭交联聚合物网络。计算得到的屈服活化能和有效活化体积分别是97.6 kJ/mol和15.6nm3，这些值比单独氢键的（12–20 kJ/mol和∼ 0.1 nm3）大得多，意味着在PNASC水凝胶网络中形成了氢键协同簇。

图2. PNASC-25和PNAGA-25水凝胶的拉伸应力-应变曲线（a）。PNASC-25（b）和PNAGA-25水凝胶（c）的流变性测试。在20至90°C的温度幅度扫描测试中，动态存储模量G'，损耗模量G''和损耗因子tanδ的变化。混合有6 H2O的PNASC-22（d）和PNAGA-22（e）的构型。PNAGA-25和PNAGA-25水凝胶的加载-卸载测试（f）。低浓度（g）的PNASC和PNAGA水溶液的DLS结果。在不同温度（h），不同拉伸速率（j）下测定的PNASC25水凝胶的拉伸应力-应变曲线。相应的屈服应力随温度（i）和应变率（k）的变化。（i）：拉伸速度：50mm min-1；（k）：测试温度：27℃。误差棒代表标准偏差（n = 3）。

他们测量了具有各种初始单体浓度的PNASC水凝胶的压缩性能。图3a，b显示在压缩过程中没有断裂发生，并且随着NASC含量的增加，在80％应变下，压缩强度从6.47 MPa增加到23.35 MPa。较高的氢键密度有助于提高抗压强度。

如果NASC与其他常见单体共聚，它可以作为通用交联剂来开发一系列高强度水凝胶。他们将NASC分别与水溶液中的代表性羧基甜菜碱丙烯酰胺（CBAA）和丙烯酰胺（AAm）单体共聚。图3d，e显示分别具有80％和60％EWC的P（NASC-co-CBAA）和P（NASC-co-AAm）超分子共聚物水凝胶可以在PBS中保持稳定的溶胀（图3f，g），并且 P（NASC-co-CBAA）和P（NASC-co-AAm）水凝胶的抗张强度分别超过0.3 MPa和1.4 MPa（图3h，i）。然后，通过检测蛋白质吸附来确定P（NASC-co-CBAA）水凝胶的防污能力。PNASC水凝胶的吸附率为3.36 µg cm-2。由于引入了防污PCBAA，与PNASC水凝胶相比，在P（NASC-co-CBAA）水凝胶上的蛋白质吸附量低得多（1.82 µg cm -2）。这种具有稳定溶胀度和机械性能的防污水凝胶具有作为软组织替代物的潜力。

图3.（a）PNASC水凝胶的压缩应力-应变曲线。（b）具有不同初始NASC含量的PNASC水凝胶的抗压强度和模量。（c）描绘了PNASC-25水凝胶高硬度的照片：显示了四个PNASC-25水凝胶圆柱体（直径11毫米，高度9.6毫米）可支撑25升乙醇，一个体重51公斤的人而没有塌陷。P（NASC-co-CBAA）和P（NASC-co-AAm）水凝胶的EWC（d，e）。（f，g）是在PBS中浸泡10天的不同P（NASC-co-CBAA）和P（NASC-co-AAm）凝胶的照片。P（NASC-co-CBAA）和P（NASC-co-AAm）水凝胶的拉伸应力-应变曲线（h，i）。误差棒代表标准偏差（n = 3）。

他们还探索了P（NASC-HepMAm）25-Y水凝胶管（直径= 1.5 mm）作为临时血管内分流术（TIVS）的临时血管替代品的应用。在用于TIVS之前，评估了PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25-Y水凝胶的细胞毒性和血液相容性。MTT分析显示PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25-Y水凝胶均可维持85％的细胞活力（图4d），表明具有良好的生物相容性。图4e揭示了水凝胶没有观察到明显的溶血现象。PNASC25，P（NASC-co-HepMAm）-25-10和P（NASC-co-HepMAm）-2515的溶血率分别为0.69％，0.62％和0.59％，这比最低临床许可要求的5％低得多。为了进一步检查血液相容性，将PNASC-25和P（NASC-coHepMAm）-25-Y水凝胶片浸入新鲜全血中，在25°C下放置12 h，然后进行扫描电子显微镜（SEM）检查。图4g，h说明，与PNASC-25水凝胶相比，P（NASC-co-HepMAm）-25-10和P（NASCco-HepMAm）-25-15水凝胶的表面仅有少量血块，表明P（NASC-co-HepMAm）-25-Y共聚物水凝胶具有更好的抗血栓性质。

图4. PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25-Y水凝胶随温度变化的（a）拉伸应力-应变曲线，（b）拉伸强度和杨氏模量，以及（c）储能模量；（d）PNASC-25，P（NASC-co-HepMAm）-25-10和P（NASC-co-HepMAm）-25-15水凝胶的细胞毒性结果（以细胞活力百分比表示），（e）溶血率和（f）破裂压力。（g-i）通过SEM观察到水凝胶的体外抗血栓形成行为。皮下植入PNASC-25（j，k）和P（NASC-co-HepMAm）-25-15（l，m）水凝胶皮下植入3天和4周后H＆E染色伤口组织切片的图像（n）。

鉴于其高机械性能，良好的生物相容性和血液相容性，P（NASC-coHepMAm）-25-15水凝胶管被用作TIVS的人造血管。切断兔的颈动脉，将3厘米长的水凝胶管立即插入血管的两端，并通过手术缝合线固定（图5a，b）。血管吻合术后4 h，水凝胶管无出血。图5c显示，对于P（NASC-co-HepMAm）-25-15人造血管，未观察到明显的血色变化，并且在4 h后远端心脏搏动正常。相比之下，PNASC-25水凝胶管中的血液在1小时内从鲜红色变成深黑色，并最终在4小时后变黑。远端心脏搏动在1小时内逐渐减弱，在4小时后几乎消失。为了检查内腔是否形成了血栓，将水凝胶管从固定的血管末端移开，并用盐溶液冲洗。图5c-11显示，冲洗溶液或P（NASC-co-HepMAm）-25-15水凝胶管腔中均不存在血栓。而许多血块紧密地粘附在PNASC25水凝胶管的内壁上，甚至无法用盐溶液冲洗掉（图5c-5）。在体视显微镜下，P（NASC-co-HepMAm）-25-15水凝胶临时血管的腔表面显示干净，光滑（图5c-12）； 但是，在PNASC25水凝胶管的腔表面上会形成大的血块（图5c-6）。以上结果表明P（NASC-co-HepMAm）-25-Y共聚物水凝胶可作为临时人工血管，用于紧急情况下，尤其是在战场或野外事故中TIVS使用。

图5.（a）P（NASC-co-HepMAm）水凝胶管的制造及其在体内作为TIVS的应用的示意图。（b）在兔子模型中放置用于TIVS的水凝胶管的顺序步骤（c）（1、7），（2、8），（3、9）和（4、10）是PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25水凝胶管植入0、1、2和4小时后血液颜色变化的照片。（5，11）是从颈动脉末端取出的PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25-15水凝胶管的照片。（6，12）PNASC-25和P（NASC-co-HepMAm）-25-15水凝胶管腔表面的立体显微镜图像。

亮点小结

总而言之，作者从“机械增强剂”的概念出发，设计并合成了一种在侧链上包含一个酰胺和一个脲基的特征单体NASC。NASC在水溶液中的均聚反应会导致形成超分子聚N-丙烯酰氨基脲化合物（PNASC）水凝胶，具有出色的性能：拉伸强度为1.7-4.7 MPa，在80％压缩应变下的抗压强度为6.5-23.4 MPa，杨氏模量为48.4-100.3 MPa，断裂高达11.4 kJ m -2。通过简单地将NASC与不同的所需单体（例如丙烯酰胺，羧基甜菜碱丙烯酰胺）共聚，可以方便地制备具有可调的机械强度，抗蛋白质结垢特性的不同的超分子共聚物水凝胶。而且可以通过铸造方法制造直径为1.5 mm的硬而坚韧的聚（NASC-肝素甲基丙烯酰胺甲基丙烯酰胺）水凝胶微管。该水凝胶管可以快速吻合兔的颈动脉破裂，延长了凝血时间，表明它具有作为人工血管进行临时血管内分流的诱人潜力。这项研究开辟了一种非常简化且通用的策略，以构建具有特定功能的高刚性，坚韧和溶胀稳定的超分子聚合物水凝胶，以适应特定的应用，特别是作为软支持组织的替代品。

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