近日，我院骨科祝斌教授团队与中国科学院化学研究所邱东研究员团队合作，聚焦高强韧水凝胶生物替代材料基础与转化研究，取得重要进展。在国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目支持下，团队发展了超分子相互作用及高分子网络结构调控原理，建立了非溶剂淬火促进原位纳米纤维化、超分子/高分子连体网络介导仿射变形等调控方法，构建了面向生物医用的高强韧水凝胶材料平台。

2023年和近期发表于Advanced Materials（IF=29.4）的纳米纤维化增强水凝胶、超分子/高分子连体网络水凝胶两项研究，充分彰显了团队在高强韧水凝胶材料设计、仿生结构构建及生物替代材料临床转化等方面的系统性学术布局与卓越科研实力。

原位构筑纳米纤维水凝胶研究

承重软组织（如软骨、肌腱、韧带）内部普遍存在生物大分子纳米纤维网络，是赋予其优异力学性能的关键结构。然而，传统合成水凝胶通常由离散的高分子链构筑网络，存在力学性能弱、抗溶胀性差等问题，难以满足承重软组织替代应用需求。

受承重软组织结构启发，祝斌/邱东合作团队提出一种无需取向、原位构筑纳米纤维水凝胶（nf-gels）的增强新策略。以聚乙烯醇（PVA）为模型体系，开发了三步溶剂交换法：首先以N-甲基吡咯烷酮（NMP）为良溶剂，使PVA分子链充分伸展；再采用乙醇作为非溶剂进行淬火，诱导PVA链原位相分离，强化分子链间相互作用；最后以水为回火溶剂，使高分子微相溶胀剥离，原位形成各向同性纳米纤维网络PVA水凝胶（nf-PVA gels）。

与传统聚乙烯醇水凝胶（c-PVA gels）相比，nf-PVA gels展现出显著增强的力学性能（拉伸模量和断裂韧性分别提高3倍和5倍），优异的抗溶胀性能（浸泡水中10天后，拉伸强度与韧性保持率高达达96%），以及独特的拉伸自增强性能（70次循环拉伸后，最大应力1.1MP提升至1.MPa）。得益于各向同性纳米纤维网络结构，nf-PVA gels实现了全方位的综合力学性能增强，突破了传统取向纳米纤维水凝胶垂直方向力学性能衰减的瓶颈。此外，上述原位纤维化增强策略具备一定的普适性，可拓展至纤维素体系，为高分子水凝胶增强提供新思路。

超分子/高分子连体网络水凝胶研究

耗能水凝胶能够将机械能转化为其他形式能量（主要是热能）并耗散掉，从而达到抗冲击防护、减振降噪等效果。然而，传统水凝胶的“模量-耗能”存在制约关系，难以同时提升，限制了其承重用途。针对上述挑战，合作团队提出了超分子作用介导仿射变形的新策略，构筑了超分子/高分子连体网络结构，通过多途径-跨尺度的能量耗散机制，实现了高模量-超耗能的兼容。

以1,3:2,4-二亚苄基山梨醇（DBS）和聚乙烯醇（PVA）分别作为超分子和高分子网络的结构基元，由于强氢键相互作用，两者易于连接耦合，从而形成了DBS/PVA连体网络水凝胶。通过多途径-跨尺度的能量耗散机制，特别是（i）超分子网络作为牺牲网络，其中每个重复基元均可断键以耗散大量能量，（ii）高分子网络既作为牺牲网络又作为结构网络，在维持大应变的同时，具有与超分子网络相似的能量耗散机制；（iii）超分子作用介导仿射变形能够高效在两个网络间传递分散应力，DBS/PVA连体网络水凝胶实现了模量（~30 MPa，50倍）与耗能（能量耗散率接近100%，10倍）同步显著提高。因此，DBS/PVA连体网络水凝胶具有出色的抗冲击和减振性能，如可以保护被100 g钢球从1 m高度冲击后的玻璃完好无损；再如在30 kHz超声振动测试中，水凝胶表面沙粒保持稳定静止，从而在结构阻尼器、人体防护装备、精密仪器减震等领域具备广阔的应用前景。

系统性研究框架与学术意义

两项标志性成果是祝斌/邱东团队在高强韧水凝胶生物替代材料领域长期深耕的集中体现。团队从纳米纤维网络结构仿生构建、超分子/高分子连体网络原创设计，到仿射变形能量耗散机制解析，搭建起材料结构设计—多尺度力学机制—功能应用验证的完整研究链条。

系列成果不仅体现了团队在水凝胶网络结构精准调控前沿方向的深厚积累与原创见解，也凸显了高分子物理、超分子化学与生物材料多学科交叉融合的科研价值。研发的高强韧、抗溶胀、生物相容型水凝胶，为椎间盘替代、关节软骨替代、肌腱韧带修复等骨科临床转化提供了全新材料体系与创新设计策略。

本院主要作者介绍

祝斌，主任医师，青年博导，我院骨科第二党支部书记、脊柱外科副主任。北京医学会骨科学分会微创学组副组长、秘书长，北京中西医结合学会脊柱微创专委会主任委员。曾获北京大学青年岗位能手（标兵）称号，入选北京市通州区运河英才，潍坊市首届十大在外杰出青年。承担国自然、国家重点研发计划课题、国家出版基金、北自然重点、工信部医用生物材料揭榜挂帅等多项课题。

（骨 科）