水凝胶作为一种广泛应用于药物递送系统、隐形眼镜和组织工程支架的重要材料，其宏观性能的精准预测长期受限于对纳米尺度溶液相结构观察的困难。甲基纤维素作为一种典型的水凝胶材料，尽管已有研究提出其可用半柔性生物聚合物网络模型描述，但在流变性能的浓度依赖性预测以及高阶结构的观察方面仍存在明显的不一致性。这些不一致性阻碍了水凝胶材料结构-性能关系的精确建立，也限制了其在生物医药等领域的进一步应用。
近日，美国西北大学Nathan C. Gianneschi教授课题组通过采用变温液相透射电子显微镜技术，以高时空分辨率观测溶剂化水凝胶，避免了脱溶剂和剪切伪影的干扰。研究团队发现，甲基纤维素水凝胶形成了具有高持久长度和微米级纤维束的网络结构，这些纤维束以层级组装方式排列，从而能够更准确地预测宏观流变性能。通过散射技术和扫描电子显微镜证实，研究团队在羟丙基甲基纤维素和羟丙基纤维素中也观察到了类似的网络结构。这些多尺度观察结果清晰地揭示了纳米级结构如何影响微观结构和宏观行为，为水凝胶材料开发更精确的结构-性能关系提供了重要基础。相关论文以“Prediction of rheological properties via structure elucidation of solvated hydrogels”为题，发表在Nature Materials上。
研究团队首先通过冷冻透射电子显微镜、小角X射线散射和流变学实验验证了先前文献中对纤维素醚凝胶的描述（图1）。冷冻电镜结果显示，甲基纤维素纤维束的平均直径为18.6±2纳米，羟丙基甲基纤维素纤维束为16.5±4纳米，与文献值一致。小角X射线散射数据在65°C下拟合得到直径18.1纳米的纤维束，冷却后散射特征消失，表明纤维重新溶解。流变学测量显示，随着聚合物浓度增加，储能模量相应提高，加热后冷却产生的滞后曲线证实了凝胶的热可逆性。
图1 | LCST多糖的热响应行为。 a, 甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羟丙基纤维素的化学结构。b, 预测甲基纤维素从溶液相到凝胶相转变的照片，第一张照片显示甲基纤维素在25°C时处于溶液中，加热至65°C时转变为浑浊凝胶。c, 在65°C保持30分钟溶液后玻璃化的0.2wt%甲基纤维素的冷冻电镜显微图。d, 在65°C保持30分钟溶液后玻璃化的0.5wt%羟丙基甲基纤维素的冷冻电镜显微图。e, 在65°C保持30分钟溶液后玻璃化的15wt%羟丙基纤维素的冷冻电镜显微图。f, 0.2wt%甲基纤维素在加热前、加热至65°C和冷却后获得的小角X射线散射图谱，只有加热样品确认存在约20纳米直径的纤维。g, 在应变控制模式下通过振荡剪切测量获得的0.2wt%和1.2wt%甲基纤维素的流变学数据。
通过变温液相透射电子显微镜（图2），研究团队首次观察到甲基纤维素在溶液相中的凝胶化过程。在25°C时无明显结构，加热至65°C并保持30分钟后，观察到对齐的纤维束。当冷却至25°C并保持30分钟，甲基纤维素纤维沿着其成核主轴进一步聚集，形成直径1-2微米的纤维状束。这一观察结果与流变学数据中观察到的大滞后现象一致，表明纤维在冷却后不会立即溶解。
图2 | 显示纤维束生长的变温液相透射电子显微镜显微图。 a-c, 0.2wt%甲基纤维素在加热前(a)、加热至65°C保持30分钟后(b)和冷却至25°C保持30分钟后(c)的液相透射电子显微镜显微图。d-f, 在不同液体细胞中收集的甲基纤维素溶液在65°C保持30分钟后形成的1-2微米直径束状结构的额外变温液相透射电子显微镜显微图。
在高时间分辨率实时观察中（图3），研究团队揭示了纤维网络的形成过程。在65°C保持15分钟后，纤维束开始成核，单个纤维在纤维网络内呈放射状向外扩展，并在约10分钟内沿平行于成核事件的方向延长。连续成像显示，甲基纤维素纤维组装成直径1-2微米、向各个方向延伸的纤维状束。冷却后，可观察到纤维束边缘的纤维开始部分溶解，呈现"毛边"现象，但完全溶解在此时间尺度上无法实现。
图3 | 通过变温液相透射电子显微镜连续成像加热的甲基纤维素溶液。 a, 25°C记录的0.2wt%甲基纤维素的液相透射电子显微镜显微图。b-d, 在65°C保持15分钟后不同时间点记录的0.2wt%甲基纤维素的变温液相透射电子显微镜显微图。e-f, 冷却回25°C后分别保持16分钟和22分钟的变温液相透射电子显微镜显微图。g, 来自d图在32分钟时的变温液相透射电子显微镜处理区域。
为了在更广泛长度尺度上确认层级网络结构，研究团队采用了变温小角中子散射和超小角中子散射技术（图4）。结果显示，1.2wt%甲基纤维素样品的超小角中子散射数据遵循q⁻¹·⁷⁷的幂律，表明存在微米级结构。通过分析超小角中子散射数据中的特征峰，发现纤维状束的直径为3.53微米。小角光散射数据的Kratky图在q≈2.1×10⁻⁴Å⁻¹附近出现强峰，表明存在约1.6微米的致密物体。羟丙基甲基纤维素的分析结果也证实了类似的层级结构，纤维状束直径为1.74微米，由20.6纳米的半柔性纤维组成。对于羟丙基纤维素，小角X射线散射数据显示其形成约90纳米的纤维，未观察到更小的结构单元。
图4 | 通过小角中子散射、小角光散射和小角X射线散射研究的多糖。 a, 1.2wt%甲基纤维素的变温超小角中子散射和变温小角中子散射数据，拟合半柔性圆柱模型和幂律模型。b, 0.2wt%甲基纤维素加热至65°C的小角光散射Kratky图，确认形成直径1.6-2.8微米的结构。c, 2.0wt%羟丙基甲基纤维素的变温超小角中子散射和变温小角中子散射数据，拟合半柔性圆柱模型和双幂律模型。d, 10.0wt%羟丙基纤维素的变温小角X射线散射数据，拟合半柔性圆柱模型。
通过冷冻干燥扫描电子显微镜（图5），研究团队进一步证实了多糖水凝胶的层级网络结构。0.2wt%甲基纤维素冷冻干燥水凝胶显示约300纳米直径的束状结构，由约15纳米直径的纤维组成；1.2wt%甲基纤维素则显示约650纳米直径的束状结构；2.0wt%羟丙基甲基纤维素显示约107纳米直径的束状结构。通过与液相透射电子显微镜和超小角中子散射数据比较，研究团队估算了脱水过程的影响：甲基纤维素纤维束收缩约81.5%，而羟丙基甲基纤维素纤维束收缩约94%，这反映了后者较高的水含量。
图5 | 通过冷冻干燥扫描电子显微镜确认多糖水凝胶中纤维束的形成。 a, 0.2wt%甲基纤维素水凝胶的扫描电子显微镜显微图，显示约300纳米脱水的纤维状束构成水凝胶网络。b, 1.2wt%甲基纤维素水凝胶的冷冻干燥扫描电子显微镜显微图，显示约650纳米脱水的纤维状束构成水凝胶网络。c, 2.0wt%羟丙基甲基纤维素水凝胶的冷冻干燥扫描电子显微镜显微图，显示约107纳米脱水的纤维状束构成水凝胶网络。d, 15.0wt%羟丙基纤维素水凝胶的冷冻干燥扫描电子显微镜显微图，显示约83纳米脱水的纤维状束构成水凝胶网络。
基于上述观察，研究团队重新评估了半柔性生物聚合物网络模型中的关键参数——持久长度（图6）。通过图像分析，液相透射电子显微镜测得的持久长度约为3.5微米，冷冻干燥扫描电子显微镜测得约2.4微米，而冷冻透射电子显微镜仅测得约366纳米。将不同方法测得的持久长度代入理论模型G′∝lₚ²c²·⁵后，发现基于液相透射电子显微镜和冷冻干燥扫描电子显微镜数据的拟合结果与实验流变学数据高度吻合，而基于冷冻透射电子显微镜和小角中子散射数据的拟合则严重低估了储能模量。这表明，决定水凝胶强度的实际上是纤维束的持久长度，而非纳米级纤维或聚合物本身。
图6 | 理论模型拟合流变学数据以确认层级结构。 a, 甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羟丙基纤维素水凝胶在80°C下振荡剪切测量的流变学数据。实验数据拟合到G′∝lₚ²cⁿ，其中lₚ通过冷冻干燥扫描电子显微镜图像分析确定。b, 描绘甲基纤维素纤维水凝胶在不同长度尺度上的层级结构的示意图。
这项研究的意义在于，通过多种先进表征技术的结合，首次清晰地揭示了纤维素醚水凝胶的真实层级结构，并建立了结构与宏观性能之间的定量关系。研究结论强调，要准确预测纤维状水凝胶的流变性能，必须采用原位液相方法观察其真实形态，而不能仅依赖于传统的小角散射或冷冻电镜技术。未来研究将进一步探索是否可以通过类似方法测量其他物理参数，如网孔尺寸，从而实现对各类凝胶机械性能的直接预测，为模拟仿真和模型开发提供真实的物理参数输入。