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研究背景

智能水凝膠在仿生材料和軟體機器人等領域具有廣泛應用的潛力。生物體的軟組織（如人類皮膚和軟無脊椎動物）具備復雜的機械性能，包括機械強度、伸展性、形狀變換等，這些特性源于細胞單元的精細排列及相互作用。盡管水凝膠因其優良的生物相容性和高水含量在仿生領域中展現出巨大的潛力，然而，制備具有生物體軟組織特性的水凝膠仍然面臨重大挑戰。

研究內容

基于此，段鑲鋒和黃昱教授聯手開發了一種智能水凝膠，該水凝膠具備類似生物體軟組織的機械性能以及熱響應形變。該項成果以“Tailoring smart hydrogels through manipulation of heterogeneous subdomains”為題，發表在國際頂級期刊Nature Communication上。

與傳統方法不同，該研究通過操控軟水凝膠內部子域單元的構建、集成和相互作用，使得水凝膠局部和整體行為的性能調控成為可能。此外，文章還采用了前沿的原位成像技術，數字圖像相關技術和快速傅里葉變換等方法進行全場應變測量和模式分析，深入研究了水凝膠材料的性能。

圖文導讀

圖1 具備細胞模式域軟水凝膠薄膜的制備及表征

圖1 通過多個方面展示了智能水凝膠的設計與制備過程。首先，圖中將生物體軟組織（如軟無脊椎動物）中的細胞結構與硬質晶體材料（如鈦合金）中的晶粒域進行對比，強調了細胞單元在材料性能中的關鍵作用，反映了對自然生物系統的深刻理解。其次，圖中詳細介紹了利用投影灰度光刻技術制備水凝膠薄膜的過程。通過時空控制，研究者能夠打印出具有剛性細胞模式的域，這些域在施加機械力時會誘導應變驅動的異質化子域，從而在軟水凝膠薄膜中形成復雜的機械響應。這一制造過程不僅為水凝膠的設計提供了新思路，也展示了該方法設計高精度材料的潛力。

圖2 機械性能測試及其內部作用機制研究

圖2展示了不同細胞模式域（如HC-50和HC-90）與均勻薄膜的應力-應變曲線的比較，強調這些模式如何顯著提高材料的極限強度、彈性模量和材料韌性。通過數字圖像相關技術，全場應變映射揭示了在拉伸測試中不同水凝膠薄膜的應變分布，顯示出細胞模式域內的應變集中區域和局部機械響應的差異。此外，局部應變分析展示了不同位置（如子域A和B）的應變變化，進一步說明了各子域在拉伸過程中表現出的機械特性差異。結合有限元分析（FEA）結果，驗證了實驗觀察到的應變分布與局部機械行為之間的一致性，強調了應變工程子域在水凝膠材料中的重要性。

圖3 不同水凝膠材料的機械性能表征

圖 3 主要展示了不同水凝膠材料的機械特性表征。圖中展示了將不同細胞模式（如HC-160-L 和 HC-50）整合到水凝膠薄膜中形成的多相結構，并通過全場應變映射突出了不同相在拉伸過程中應變分布的差異，顯示了各相在機械負載下的不同響應。此外，圖中提供了不同水凝膠樣本的應力-應變曲線，比較了多相復合水凝膠與單相水凝膠的機械性能，強調了多相結構如何增強整體的彈性模量和耐久性。利用數字圖像相關技術，詳細展示了不同拉伸方向下各相的應變分布特征，揭示了相互作用和負載轉移機制。同時，圖中分析了不同相的界面區域的機械行為，展示了界面處的應變集中現象及其對整體材料性能的影響。這一系列分析全面闡述了多相水凝膠設計對提高材料性能的重要性。

圖4 通過同時編碼梯度和‘多相’異質性共同設計形狀變換和機械性能

圖 4 主要展示了水凝膠機械性能的研究。圖中闡明了水凝膠的彈性模量與收縮比之間的關系，強調了通過調整細胞模式尺寸實現機械性能的調節。同時，圖中展示了如何通過改變細胞模式的固化時間來形成收縮梯度，使水凝膠在整體上表現出不同的形狀變換，突出局部固化時間對整體形狀的影響。此外，還展示了將二維水凝膠薄膜設計為非歐幾里得形狀的過程，利用收縮梯度實現從二維到三維的形狀轉換，體現了細胞模式組合和固化時間調整在形狀控制中的作用。最后，圖中包括了對代表性三維帽狀結構的壓縮測試結果，顯示不同設計的帽子在軸向加載下的性能，強調多相集成在增強材料強度方面的效果。總體而言，圖 4 全面闡述了如何通過共同設計來調節水凝膠的性能和形狀，為智能材料的應用提供了新的思路。

總結展望

本研究探討了智能水凝膠的設計與應用，通過開發具有類細胞域的合成水凝膠，實現了對水凝膠材料機械性能和熱響應變形的控制。研究采用動態光投影灰度光刻技術，結合時空控制的光聚合過程，成功打印出不同細胞模式域，形成應變驅動的異質化子域，從而在水凝膠中實現復雜的機械響應。

通過全場應變映射、應力-應變曲線和有限元分析，深入研究了應變工程子域對局部與整體機械行為的影響，并強調了多相結構在提高水凝膠性能方面的重要性。智能水凝膠的研究有望在可穿戴設備、組織工程和仿生材料等領域得到進一步拓展。結合先進制造技術和精細材料設計，可開發出功能更復雜的水凝膠系統，以滿足不同應用需求。

此外，利用人工智能和機器學習技術可以加速新材料的設計和優化過程。深入理解水凝膠的微觀結構與宏觀性能之間的關系，將為材料科學的發展提供重要的理論基礎，推動智能水凝膠在實際應用中的創新與發展。

文獻信息

Tailoring smart hydrogels through manipulation of heterogeneous subdomains Nature Communications

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