水凝胶材料应用难题

水凝胶柔软、高含水，与生物组织高度相似，是当前最受关注的生物材料。然而，水凝胶力学性能不足，极易损坏，导致其在生物医学领域的应用十分受限。多年来，国内外研究人员一直致力于攻克这一难题，谁先取得突破，谁就拥有了开发应用的先机。近几年，伴随着产业界对水凝胶的关注度不断提升，相关技术的开发俨然已进入白热化竞争阶段。然而时至今日，力学性能不足这一问题始终没有得到有效解决。

尽管研究人员了尝试了多种方案，例如双网络策略以及基于聚乙烯醇的结构优化策略，但这些方案总是以牺牲水凝胶的制备为代价。换句话说，其制备所需要的时间和条件都不足以满足临床应用需求。

破局技术初现

上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组专注水凝胶材料研究十余年，在这方面积累了丰富的基础。为了克服上述难题，团队从水凝胶设计的源头——交联反应——出发，提出一种全新的水凝胶构筑技术。该技术能够“点石成金”，将常规的大分子原料简单混合，仅需数秒光照即可获得既强（15.3 MPa）又韧（138.0 MJ m^-3）的水凝胶材料。另外，制备的水凝胶材料能够循环拉伸超过10万次，展示了惊人的回弹性与耐疲劳性，完全能够与非水体系的弹性体材料如橡胶、聚氨酯等相媲美。

文章截图

可以说，该技术颠覆了水凝胶材料的制备方式与力学属性，也意味着高强韧水凝胶材料的制备将从此变得轻而易举。基于该技术突破，原本无法加工的高精密、复杂水凝胶器件（如支架、血管等），现皆可通过光投影3D打印进行加工制造。

图1水凝胶技术的优势与典型应用

起底技术原理

为了阐明水凝胶技术背后的原理，团队以聚乙二醇和透明质酸构筑的水凝胶为例，对凝胶原理以及凝胶过程进行了系统分析论证。团队发现，该水凝胶材料自发形成了独特的微观结构。该结构对于材料强度和韧性的提升都十分有益。例如，经过配方调整，该技术既能构筑拉伸性能优异的水凝胶材料：拉伸至原始长度的28倍，亦能构筑强度极其出色的水凝胶材料：强度代表共价水凝胶的最高水平。但无论配方如何调整，该技术制备的水凝胶都能够兼顾强度与韧性性能，克服材料“强韧互斥”的普遍矛盾。更重要的是，受益于自发的结构形成过程，水凝胶制备所需的时间极短、条件温和，因此具有临床转化应用的潜力。

图2 水凝胶技术的交联反应原理

技术应用前景

团队就本论文提出的“光偶联反应”原创凝胶技术进行了完整的知识产权布局，从原料、制备、配方、产品及其临床应用进行全面保护，截止目前，共申请中国、PCT、美国、欧洲和日本等发明专利20项，已授权中国发明专利10项、美国发明专利3项、日本发明专利1项。基于此，团队开发了多款水凝胶墨水，可广泛应用于数字光处理（DLP）、挤出式等3D打印技术，用于加工制造高精度、复杂形状的水凝胶结构。同时，团队就该技术进行临床转化，当前已完成产品的工程化、安全性验证以及注册检验，定型了两款光固化医用胶产品，分别完成了多中心临床试验，并提交1项创新医疗器械申请。技术临床转化所依托的医疗科技公司已完成A轮融资。