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研究背景

水凝膠是一種具有軟性和含水性質(zhì)的材料，在生物醫(yī)學(xué)工程、軟體機器人和環(huán)境研究等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)水凝膠在實際應(yīng)用中存在著一個關(guān)鍵問題，即其低機械強度和韌性。這意味著傳統(tǒng)水凝膠在承受機械載荷時容易發(fā)生破裂，從而限制了其廣泛應(yīng)用的可能性。

為了解決這一問題，科學(xué)家們長期致力于開發(fā)機械強度和韌性更高的水凝膠。他們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)水凝膠的糟糕機械性能主要源自于其內(nèi)在特性，例如聚合物密度分布不均勻、缺乏能量耗散機制以及含水量過高等。因此，科學(xué)家們開始探索各種新的設(shè)計策略，以改善水凝膠的機械性能，從而實現(xiàn)其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

成果簡介

針對這一挑戰(zhàn)，日本北海道大學(xué)（Hokkaido University）龔劍萍、李薛宇兩個人在“Nature Reviews Materials”期刊上發(fā)表了題為“Design principles for strong and tough hydrogels”的最新綜述論文。

本綜述旨在解決水凝膠低機械強度和韌性的問題，并提出了一系列解決方案。首先，作者從分子結(jié)構(gòu)和膨脹或脫水的角度出發(fā)，分析了這些因素對水凝膠機械性能的影響，包括彈性模量、可延展性、強度、韌性和疲勞抗性等。然后，作者討論了主要的設(shè)計策略，包括改變水凝膠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、引入能量耗散機制以及增強高階結(jié)構(gòu)等。最后，作者強調(diào)了開發(fā)具有組織樣自生長特性的自強化水凝膠的重要性，并探討了未來發(fā)展方向。

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研究亮點

（1）本文首次探索了水凝膠的設(shè)計原則，旨在解決其低機械強度和韌性的問題。

（2）通過分析水凝膠的基本結(jié)構(gòu)特征，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)水凝膠存在網(wǎng)絡(luò)不均勻性和缺乏能量耗散機制等固有特點。

（3）針對水凝膠的機械性能瓶頸，研究者提出了三大設(shè)計策略：設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、引入能量耗散機制和引入高階結(jié)構(gòu)。

（4）在實驗驗證階段，研究團隊成功開發(fā)了具有高機械強度和韌性的水凝膠，并分別在彈性凝膠和粘彈性凝膠中進(jìn)行了有效的實踐。

（5）實驗結(jié)果顯示，采用這些設(shè)計策略后，水凝膠的斷裂能量和疲勞閾值得到了顯著提高，彈性模量和強度也得到了有效增強。

（6）此外，實驗還表明，采用這些策略設(shè)計的水凝膠具有自生長和自強化的特性，能夠更好地適應(yīng)周圍環(huán)境，類似于生物系統(tǒng)的特性。

（7）綜合實驗結(jié)果和分析，本研究為開發(fā)實用的水凝膠材料提供了重要的設(shè)計原則和方法，為軟材料領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：水凝膠溶脹、去溶脹和斷裂行為。

圖2：溶脹（彈性）水凝膠。

圖3：去溶脹（粘彈性）水凝膠和具有高階結(jié)構(gòu)的水凝膠。

圖4：基于各種策略制造的水凝膠，斷裂能以及疲勞閾值與彈性模量和強度關(guān)系。

圖5: 疲勞斷裂測量和增強水凝膠抗疲勞機制。

圖6: 機械化學(xué)強化和自生長水凝膠策略。

圖7: 雙網(wǎng)絡(luò)double-network，DN水凝膠中，力誘導(dǎo)的自生長和增強。

總結(jié)展望

本文對水凝膠這一類軟性材料的深入理解和創(chuàng)新設(shè)計。通過結(jié)合基礎(chǔ)科學(xué)和工程實踐，作者不僅能夠了解水凝膠的機械性能和結(jié)構(gòu)特點，還能夠針對實際應(yīng)用需求進(jìn)行有針對性的設(shè)計和改進(jìn)。從基礎(chǔ)科學(xué)的角度來看，作者深入探討了水凝膠的非線性粘彈性特性，并提出了新的斷裂力學(xué)理論，以解決其動態(tài)行為與傳統(tǒng)理論之間的矛盾。這一理論的發(fā)展為水凝膠材料的設(shè)計和改進(jìn)提供了新的思路和方法。

從工程實踐的角度來看，作者探討了如何開發(fā)具有與特定生物組織相匹配的水凝膠，以滿足實際應(yīng)用的需求。作者不僅考慮了水凝膠的機械性能，還關(guān)注了其生物相容性和生化穩(wěn)定性，以確保植入體內(nèi)的水凝膠人工組織具有長期穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和功能。同時，作者也探討了水凝膠作為一種開放系統(tǒng)的特性，以及如何利用這一特性開發(fā)具有新功能的材料，例如利用機械能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的力催化材料。這些工程實踐的思考為水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性和方向。

綜合基礎(chǔ)科學(xué)和工程實踐，本文在理論和應(yīng)用兩個層面上為水凝膠材料的研究和開發(fā)提供了啟示。通過深入理解水凝膠的機械性能和結(jié)構(gòu)特點，以及探索其在實際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和機遇，作者可以更好地設(shè)計和改進(jìn)水凝膠材料，從而推動其在生物醫(yī)學(xué)工程和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

Li, X., Gong, J.P. Design principles for strong and tough hydrogels. Nat Rev Mater (2024).

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