近日，据上海医疗设备展Medtec获悉，日本北海道大学龚剑萍、Xueyu Li 等人在Nature Reviews Materials综述了强韧性水凝胶的设计原则的相关进展。
水凝胶是被水溶胀的交联聚合物网络。水凝胶由于其柔软和含水的性质，在生物医学工程、软机器人和环境研究等许多领域都是有前途的应用材料。水凝胶实际应用的主要障碍之一是其机械强度和韧性低。
自2000年代以来，在机械强度和韧性水凝胶的开发方面取得了许多突破，使软材料的研究和我们对其失效机制的理解取得了巨大进展。还对长期机械稳定性进行了研究，即水凝胶的抗循环疲劳性和自增强性能，以使其能够用作承载材料。这篇综述全面概述了坚韧水凝胶的设计原则。还提出了获得能够适应周围机械环境的自生长和增强水凝胶的策略。
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坚韧水凝胶的设计原则集中于提升材料的机械强度、韧性和抗疲劳性能，同时维持其软性与高含水量。这包括优化分子结构，如延长聚合物链和增加聚合物间的纠缠；采用拓扑结构设计，例如滑动环凝胶和高度纠缠的网络，以更有效地分布应力；构建具有对比性质的双网络（DN）结构，其中第一网络作为牺牲网络耗散能量，而第二网络保持整体的完整性和延展性；引入能量耗散机制，如牺牲键和动态键，以及设计层次化结构以扩大裂纹尖端的处理区域；利用环境响应性特征，使水凝胶能够适应不同的外部条件；确保生物相容性和生物降解性，特别是针对生物医学应用；以及通过力化学强化和自修复机制，模拟生物组织的自我修复和适应性。此外，还包括设计各向异性水凝胶以提供定向的力学性能，以及整合纳米复合结构和纤维增强策略，以进一步增强材料的界面相互作用和整体性能。这些原则的整合和应用，旨在开发出能够满足工程和生物医学领域需求的高性能水凝胶。
尽管已经取得了显著的进展，但上海医疗设备展Medtec水凝胶的实际应用仍面临一些挑战：
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理论发展：需要新的理论和实验方法来理解与非线性粘弹性效应相关的强化和抗疲劳机制。
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工程挑战：开发具有全面机械性能的水凝胶，以匹配特定生物组织的特性，同时解决生物相容性和生物化学稳定性问题。
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生物分子相互作用：考虑水凝胶植入体内后可能与各种矿物质和生物分子的相互作用，使用生物聚合物或设计具有功能蛋白质氨基酸序列的共聚物可能是一种解决策略。
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力化学强化和自生长水凝胶：开发能够响应机械力而自主生长和强化的聚合物网络，模拟生物组织的自我修复和适应性。
图1 | 水凝胶的膨胀、收缩和断裂行为
图2 | 膨胀型（弹性）水凝胶
图3 | 收缩型（粘弹性）水凝胶和具有高阶结构的水凝胶
图4 | 通过不同策略制备的水凝胶的断裂能量和疲劳阈值与其弹性模量和强度的对比
图5 | 疲劳断裂测量和提出的增强水凝胶疲劳抗力的机制
图6 | 提出的用于力化学强化和自生长水凝胶的策略
图7 | 在双网络（DN）水凝胶中力诱导的自生长和强化
Li, X., Gong, J.P. Design principles for strong and tough hydrogels. Nat Rev Mater (2024).
https://doi.org/10.1038/s41578-024-00672-3
