DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.123116

壳聚糖是一种天然衍生可生物降解聚合物，其来源丰富、可持续性高且易于化学改性。聚氨酯是一类弹性生物相容性聚合物，聚氨酯复合材料具有多功能特性和应用。近期开发的壳聚糖-聚氨酯复合材料强度不足，拉伸性有限。本研究将纤维素纳米纤维（CNFs）集成到壳聚糖-聚氨酯复合材料中，以制备可拉伸各向异性材料。首次合成了一种可生物降解聚氨酯，用醛封端，制成双醛聚氨酯（DP）纳米颗粒，并添加CNFs以制备DP-CNF复合交联剂（DPF）。然后将水性DPF交联剂与壳聚糖溶液共混，制备聚氨酯-CNF-壳聚糖（DPFC）复合材料。混合后，DPFC在约33分钟内形成水凝胶。由混合物浇铸和干燥得到的复合膜在60℃下显示出良好的伸长率（约420.2 %）。随后通过预应变拉伸退火生成各向异性膜。预应变200%的退火薄膜表现出较大的弹性各向异性，各向异性比约为4.9。原位SAXS/WAXS分析表明，拉伸退火过程中微观结构的重新排列是各向异性的原因。总体而言，各向异性复合膜具有引导神经干细胞生长的能力，并显示出仿生和组织工程应用潜力。

图1.串珠纳米结构DPF交联剂的合成。（A）双功能聚氨酯（DP）纤维复合材料，即DPF复合材料的合成路线。在TEA添加之后，悬浮的纤维素纳米纤维（CNFs）经超声处理并用于DP的合成。最终产物（DPF）在悬浮液中形成了一种独特的结构。（B）悬浮DP纳米颗粒的TEM图像。（C）悬浮DPF复合物的TEM图像。蓝色箭头表示交织的CNFs。红色箭头表示串珠纳米结构DPF复合材料。

图2.DPC和DPFC水凝胶的特性。（A）在25℃、1Hz和1%应变下，通过时间扫描实验测定平衡的DPC和DPFC水凝胶的流变特性。凝胶化后储能模量（G’）和损失模量（G”）稳定。（B）DPC和DPFC水凝胶的应变扫描实验，其中在25℃、1Hz和不同应变下测定G’和G”值。当应变大于750%时，DPC水凝胶发生凝胶-溶胶的转变，而当应变超过550%时，DPFC水凝胶发生凝胶转变。（C）DPFC水凝胶的循环损伤愈合。通过在1和600%之间连续改变应变大小来执行损伤愈合循环。（D）水凝胶在25℃时的稳定剪切粘度。（E）DPFC水凝胶通过30号（内径160μm）注射器针头的可注射性。（F）DPFC水凝胶的SEM图像。DPC水凝胶包含5wt%DP和5wt%CMC。DPFC包含5wt%DPF和5wt%CMC。

图3.薄膜的制备和机械性能。（A）拉伸试验用DPC和DPFC膜的制备程序示意图。（B）TMA测定的尺寸变化（样品膜长度）与温度的关系。（C）DPC和DPFC膜在初始状态（室温）和60℃下的典型拉伸应力-应变曲线。（D）在平行和垂直方向切割DPFC1薄膜样品以进行DMA测试的图示。（E）DPFC薄膜在平行和垂直方向上的杨氏模量以及不同预应变退火状态下的弹性各向异性比（R）。在拉伸退火期间，以0%、50%、100%、150%、200%或250%的应变进行预应变。

图4.DP、DPF和DPFC膜的热分析和XRD。（A）DP和DPF（交联剂），以及DPC、DPFC0、DPFC1、DPFC2和DPFC3膜的TGA曲线。（B）DP、DPF、DPC和DPFC膜的DSC曲线（初始状态）。（C）在初始、退火（0%）和退火（200%）状态下获得的DPFC1膜的DSC曲线。（D）初始、退火（0%）和退火（200%）状态下DPFC1膜的XRD图谱。为了避免XRD曲线重叠，主图的强度进行了偏移。

图5.SEM图像显示了初始、退火（0%）和退火（200%）状态下DPFC1和DPFC2膜（顶表面）的形态。白色双头箭头表示退火（200%）状态下的预应变方向。

图6.加热过程中不同温度下DPC、DPFC1和DPFC2膜的原位1D SAXS和1D WAXS图谱（从30℃至60℃、每5℃收集1次）。（A）DPC膜（左）、DPFC1膜（中）和DPFC2膜（右）的原位1D SAXS。（B）DPC膜（左）、DPFC1膜（中）和DPFC2膜（右）的原位1D WAXS。

图7.不同预应变下退火DPF、DPFC1和DPFC2膜的原位1D和2D SAXS图案。（A）不同预应变（0%、100%、200%和300%应变）下DPF（左）、DPFC1（中）和DPFC2（右）膜的原位1D SAXS图。（B）不同预应变（0%、100%、200%和300%应变）下DPF（左）、DPFC1（中）和DPFC2（右）膜的原位2D SAXS图。

图8.在膜上生长的NSCs的细胞增殖和形态。（A）第1、3、5和7天，接种在DPF、初始状态下的DFPC1和退火（200%）状态下的DPFC1上的NSCs的增殖。组间相比，*p<0.05、**p<0.01和**p<0.001。（B）第3天NSCs在退火（200%）状态的DPFC1膜上的形态，显示出垂直于预应变方向的取向。被包围的NSCs的特写图像显示在红色箭头所指向的位置。白色双头箭头表示退火（200%）状态下的预应变方向。（C）退火（200%）DPFC1膜上NSCs取向角的分布。预应变轴位于0°（向左）和180°（向右）。分布曲线以约85°为中心，几乎垂直于预应变方向。