IF：83.5 ！水凝胶女神，最新Nature系列综述，作者仅两人！|交联|女神|水凝胶|溶胀|粘弹性|聚合物|高分子

强韧水凝胶的设计原则

水凝胶是一种类似人体软组织的材料，被广泛应用于组织工程支架、医疗植入物及伤口敷料等领域。这些应用要求水凝胶具有较高的韧性和机械强度，以承受机械负荷和抵抗静态或循环负载下的失效。然而，传统的合成水凝胶由于其网络结构的不均匀性，往往在受力时易于产生裂纹并迅速扩展，从而限制了其使用范围。

自2000年以来，科研人员通过引入结构创新和能量耗散机制，比如双网络水凝胶和多级结构水凝胶，显著提升了水凝胶的机械性能。这些高性能水凝胶展现了优异的断裂能量和抗疲劳性能，使得其在高负荷环境下的应用成为可能。目前，经过约二十年的研发，水凝胶的断裂能量和疲劳阈值已达到新的高度，使其在人工软骨等应用中具有极高的潜力。此外，研究人员还在探索如何利用生物系统的策略，开发自愈合和各向异性的水凝胶，以适应复杂的使用环境。

龚剑萍教授（左）和李薛宇助理教授（右）

鉴于水凝胶溶胀和溶胀特性的重要性，以及水凝胶在液体介质中处于溶胀平衡状态的实际需求，北海道大学龚剑萍教授和李薛宇助理教授发表综述文章，全面概述了韧性水凝胶的设计原则。还提出了获得适应周围机械环境的自生长和增强水凝胶策略。本文从溶胀（swelling）和脱水（deswelling）的角度探讨了实现高机械性能的设计策略。作者首先使用基本的水凝胶模型来阐明分子结构和溶胀或脱水对机械性能的影响，包括弹性模量、延展性、强度、韧性和抗疲劳性。然后，作者讨论了获得坚韧水凝胶的主要设计策略，以及开发抗疲劳水凝胶和了解其潜在机制的进展。作者重点介绍了最近开发的开发具有组织样自生长特性的自增强水凝胶的策略。最后，作者强调了发展非弹性断裂力学理论的挑战和趋势，以捕捉大变形行为和下一代坚韧水凝胶的实际生物应用。相关成果以“Design principles for strong and tough hydrogels”为题发表在《Nature Reviews Materials》上，李薛宇助理教授一作兼通讯。

基本水凝胶力学模型

作者首先介绍了水凝胶的基本力学模型，作者分析了一个简单的仿射网络来表示水凝胶的结构，并讨论了其橡胶弹性和不同溶胀状态下的断裂。水凝胶具有均匀的聚合物网络，该网络由链组成，其特征在于每条链中库恩单体的数量和各单体的长度（图1）每条链的端到端距离遵循理想的高斯链，并且该网络的链密度表示为V x,0。与水接触时，水凝胶的尺寸变化为λs倍长度（λs＞1：溶胀，λs＜1：脱水）。在仿射网络中，主体水凝胶和单个网络链的变形是相同的，因此可计算出链的端到端距离以及链密度的变化。根据此模型，作者探讨了水凝胶的弹性模量、最大应力和拉伸比、应力集中效应和断裂能。

图1：水凝胶溶胀、脱水和断裂行为

设计策略

水凝胶在合成后浸入水中通常会发生溶胀。根据Flory−Rehner理论，水凝胶在平衡状态下的溶胀比例由聚合物-溶剂（水）混合自由能产生的渗透压与水凝胶网络弹性之间的平衡决定。通常，由中性聚合物制成的水凝胶显示出适度的溶胀，导致溶胀时弹性模量下降。相反，聚电解质水凝胶在纯水中由于Donnan平衡产生的离子渗透压导致过度溶胀，从而增加了溶胀时的弹性模量。当聚合物链之间可以形成物理键时，水凝胶在合成后会发生脱水。溶胀水凝胶通常表现出具有可忽略的链间相互作用的弹性行为，而脱水水凝胶由于聚合物链之间的物理键通常表现出粘弹性行为。本综述重点讨论这两种典型模式。

弹性水凝胶(图2)：在实际应用中，水凝胶在合成后会经历溶胀和脱水过程，由于聚合物密度和链长度的变异，容易产生缺陷，这导致水凝胶在较低的宏观应力下发生失败。为了提高弹性水凝胶的韧性，可以通过实现均质网络和引入可移动交联点来优化应力分布，从而提升其力学性能（拓扑结构）。另一种就是双网络（DN）水凝胶，双网络（DN）水凝胶结构设计采用了两种具有对比性质的弹性网络，通过牺牲键和能量耗散机制，显著增强了水凝胶的抗裂性和韧性。这种结构使得DN水凝胶即使在高水含量的情况下也展现出与自然软骨相媲美的强度和韧性。

图2：溶胀（弹性）水凝胶

粘弹性水凝胶（图3）：粘弹性水凝胶因其物理键的动态断裂和重组而具备内在的能量耗散机制，显示出显著的机械迟滞特性。这类水凝胶的断裂能量取决于裂纹传播速度和温度。

双交联水凝胶结合了共价和非共价两种交联机制，非共价键的动态解离和重组有助于耗散能量，提升水凝胶的耐用性。例如，PAAm-单宁酸水凝胶通过多重氢键的形成，在水中表现出脱水行为，这些氢键有效耗散能量并抑制裂纹传播，显著提高水凝胶的断裂能量。

传统的双网络(DN)水凝胶由两个化学交联的弹性网络组成，但也可以通过结合物理交联和化学交联的网络来形成。例如，结合两种网络的DN水凝胶不仅显示出部分自我恢复能力，还展现了高达约9 kJ/m²的断裂能量，同时由于渗透压的影响，这些水凝胶在水中膨胀后会变得较弱。

图 3：脱水（粘弹性）水凝胶和具有高阶结构的水凝胶

具有高阶结构的水凝胶（图3b）：引入高阶结构，如微相分离结构、微晶体和纤维、纤维编织织物和纳米复合材料，是增强水凝胶韧性的有效方法。这些层次结构从分子到介观尺度的相互作用赋予了水凝胶强大的抗裂性能。特别是，由于亚微米到厘米级的硬质组分增加了载荷传递长度，加工区域被扩大，导致高断裂能量，断裂能可增强2- 4个数量级。因此，掺入加固成分是同时大幅提高断裂能和疲劳阈值的最有效策略之一，其水平甚至优于生物组织。接下来作者分别对微相分离、微晶和超细纤维、应变诱导结晶、双层层状结构、有机-无机纳米复合材料和纤维和纤维编织织物复合材料进行了详细解释说明（图4）。

图4：通过各种策略制备的水凝胶的断裂能和疲劳阈值与弹性模量和强度的关系

水凝胶的抗疲劳性（图5）：长期机械稳定性对于模仿承载生物组织如肌肉和软骨的强韧水凝胶至关重要，这些生物组织在日常生活中不断经历循环负载。疲劳损伤是水凝胶在循环负载下机械性能发生不可逆变化时发生的。疲劳通常通过两个方面表征：存在裂纹的临界能量释放率G0和每个循环的裂纹增长率(dc/dN)与循环负载的能量释放率G。在一定的加载幅度和周期下，裂纹长度随着循环次数增加而增长。通过裂纹增长率与能量释放率的关系，可以得到耐疲劳曲线和疲劳阈值Г0（当dc/dN接近0时），在此阈值以下裂纹不会生长（无限寿命）。同时，水凝胶（包括弹性、粘弹性和含高阶结构的水凝胶）与生物组织的Г0进行了比较，注意在比较不同材料的Г0时需要考虑疲劳阈值的观察分辨率。作者接下来分别描述了弹性水凝胶的抗疲劳性能、含有动态键或弱交联的粘弹性水凝胶的抗疲劳性和通过高阶结构提高抗疲劳性。

图5：水凝胶抗疲劳性测量及机理

机械化学强化和自生长水凝胶

活体软组织具有显著的自主生长、重塑和强化能力，以直接响应机械力。例如，骨骼肌在周期性训练下可以增加质量和力量。因此，基于力触发的机械自由基产生和随后诱导的化学反应，开发自我生长和自我强化的聚合物网络引起了越来越多的兴趣。机械力通常会导致水凝胶中的键断裂，引发材料失败，而这些机械自由基则触发交联或聚合增长等过程，有效地将机械能转化为材料强度的增加（图6）。2019年，一个依赖于力诱导的机械自由基产生和随后聚合的“自我生长”策略在双网络(DN)水凝胶中被引入，通过结构破坏和重建，显著增强了DN水凝胶的质量和强度。通过构建类似血管的循环系统向含通道的DN水凝胶供应单体，实现了水凝胶在空气中的可持续自我生长（图7）。此外，这种力诱导的自我生长策略还允许在需求时对水凝胶表面进行局部重塑和微结构的创建，为水凝胶表面提供特定属性，如亲水性和细胞粘附。

图 6：提出的机械化学强化和自生长水凝胶策略

图 7：力诱导 DN 水凝胶的自生长和强化

小结与展望

自2000年以来，多种坚韧水凝胶的成功设计不断涌现，使得水凝胶在各种应用中显示出巨大潜力，尤其是在生物医学领域。然而，从基础科学和工程技术的角度看，水凝胶在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，水凝胶强度对应变率具有依赖性，且具有较强动态键的水凝胶显示出负荷历史依赖性，这导致其力学行为更为复杂。因此，需要新的理论和实验方法来理解其增韧和抗疲劳机制。在工程上，开发具备全面力学特性的水凝胶至关重要，其主要力学特征包括加载诱导的软化、显著的应力松弛和大的迟滞环。此外，水凝胶还具有促进化学反应的潜力，能通过机械能驱动化学反应，为开发具备自我增强、自我生长或形态生成等功能的新材料带来新机遇。

作者简介

龚剑萍，北海道大学教授(Distinguished professor),于浙江大学获学士学位，于日本茨城大学获硕士学位，在东京工业大学获得工学博士学位，而后在北海道大学获得理学博士学位。龚剑萍教授自2003年开发出双网络(DN)水凝胶并阐明其增强增韧机理及2019年发现DN凝胶自生长现象后，“又“牺牲键”及“自生长”等理论就被广泛应用于开发网络”高韧性高分子材料。而龚剑萍教授课题组更是将其延伸到软物质研究的各个细分领域。龚剑萍教授获得过多个科学奖项，包括2006年日本高分子学会奖，2011年日本化学会创新工作奖，2014年帝斯曼材料科学奖，2019年日本文部省科学技术奖，第74回日本化学会奖和2023年度美国物理学会高分子物理奖等。自2016年4月至2019年3月，担任日本GI-Core项目主管,自2018年10月担任日本WPI-ICReDD项目学术带头人。已发表论文及著作600余篇，被引用超过40000次，h因子97。