大多数生物体包含着各种软组织，它们通常具有从分子到宏观尺度的多级结构、丰富的物理化学特性以及复杂的功能性等，例如，肌腱、肌肉和韧带等。这些天然组织具有较高的水含量(50-70%)，但同时表现出优异的强韧性，能够承受百万次兆帕量级的应力加载。人工合成的水凝胶是一类重要的软物质材料，由于其整合了固体和液体的性质，使其在构筑传感、柔性电子、驱动、涂层、光学、集水等领域的功能器件和机械设备方面受到广泛的关注。然而，具有简单组分和结构的合成水凝胶与天然生物组织相比，因其较低的聚合物密度、高含水量以及不均匀的网络结构等因素而导致机械性能较差，使其无法满足许多重要工程领域的应用需求。因此，设计具备结构化高强韧的人造水凝胶是目前软物质设计领域的难点和热点。

图1. 超分子共聚水凝胶的氢键设计及制备原理

  通过N-丙烯酰基氨基脲（NASC）和丙烯酸（AA）单体的自由基共聚，制备了一种具有大量氢键（O-H…：O和N-H…：O）构成的聚N-丙烯酰基氨基脲-丙烯酸超分子水凝胶（PNA），计算结果进一步表明该水凝胶体系具有高的氢键结合能。事实上，由于强氢键相互作用导致的严重相分离，使得NASC和AA很难在纯水中形成均匀的水凝胶网络结构。为此，引入二甲基亚砜（DMSO）破坏氢键结构，然后再通过相转化诱导氢键重建，最终形成超强韧的物理交联PNA水凝胶（图1）。

图2. 水凝胶的应变诱导微相分离

图3.水凝胶的机械性能

  PNA水凝胶具有优异的机械性能，通过与各种类型的水凝胶、软骨以及天然橡胶的断裂能和断裂强度进行比较得出，光固化3D打印的PNA水凝胶具备了优异的拉伸强度的同时，还能具备超高的断裂能（171.1±34.3 kJ m^?2），优于大多数之前所报道的韧性水凝胶、生物组织以及天然橡胶（图3）。

图4.水凝胶的温度刺激响应行为

图5.水凝胶支架的力学性能和生物相容性能

图6. 体外模拟水凝胶支架的植入和药物释放过程

  通过体外模拟水凝胶支架的植入病变处验证了其可行性。将水凝胶支架压缩并与医用导丝相固定，当水凝胶支架通过医用导丝递送到指定位置时，支架随着温度升高而逐渐展开，与传统依靠气囊辅助的支架植入相比，该温度响应性水凝胶支架可以在植入后自主打开（图6）。

  文章信息：Jiayu Wu, Zhixing Zhang, Zhenyuan Wu, Desheng Liu, Xingxing Yang, Yixian Wang, Xin Jia*, Xin Xu, Pan Jiang*, and Xiaolong Wang*, Strong and Ultra-Tough Supramolecular Hydrogel Enabled by Strain-Induced Microphase Separation, Advanced Functional Materials, 2022, 2210395.

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210395

研究团队简介

  王晓龙，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员，3D打印摩擦器件组组长，博士生导师，石河子大学“绿洲学者”讲座教授。中国机械工程学会增材制造分会委员，甘肃省材料学会理事，《Coatings》和《摩擦学学报》编委。主持国家自然科学基金重点项目，面上项目，中科院“西部之光”人才培养计划重点项目等。在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Chem. Eng. J.等国际著名期刊发表学术论文100余篇，获授权中国发明专利20余件、美国专利2件。曾获2021年IAAM Scientist Award（国际先进材料协会科学家奖），甘肃省专利奖一等奖1项。发展了梯度光固化增材制造系统、3D打印聚酰亚胺、3D打印结构化功能水凝胶，3D打印弹性体、通用型3D打印光敏树脂并完成了技术成果的转移转化，与甘肃普瑞特科技有限公司、义乌新光树脂等高新企业达成了战略合作关系。

  贾鑫，男，1976年出生，博士，教授，博士生导师，中国化学会高级会员，中国化学会农业化学专业委员会委员，青年化学工作者委员会委员，石河子大学学报副主编，石河子大学 “3152”领军人才，中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室客座教授。并获得中央组织部会同教育部、科技部、中科院共同启动的“西部之光”优秀访问学者（“西部之光”人才培养计划实施20周年之际，每省1名），新疆生产建设兵团科技进步二等奖(自然学科最高奖项)，新疆生产建设兵团维稳戍边劳动奖章，NSFC-新疆联合基金优秀本地青年人才等荣誉称号。现从事的研究领域为功能高分子的设计及合成、控制释放技术、材料表界面修饰及高分子材料在农业中的制备及应用。近年来主持国家自然科学基金及省部级课题11项，申请国家发明专利20余件，以第一作者或通讯作者在Chemical Science, Applied Catalysis B: Environmental，Journal of Materials Chemistry A, Carbon, Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces, Macromolecular Rapid Communications等高水平SCI杂志收录文章60余篇。