具有超高可压缩性、弹性和压缩抗疲劳性的冷冻凝胶在组织工程、医用敷料、生物传感等方面有巨大的应用前景。纤维素、甲壳质/壳聚糖和丝素等生物质因其可再生性、生物降解性和生物相容性而成为制备冷冻凝胶的优良材料。然而，由于缺乏分层多级纳米结构的设计，开发具有极端力学性能的生物质冷冻凝胶仍面临巨大挑战。自然界中天然存在的多尺度微纳结构越来越多的受到材料设计者的关注，如多尺度的植物叶脉和蛛丝的网络结构。多尺度的微纳纤维网络结构为高弹性和抗疲劳性的凝胶材料设计提供了概念基础。

图1 生物启发的具有微纤-纳米纤维交织多尺度结构的冷冻凝胶

图2 微纳纤维组装的多尺度壳聚糖冷冻凝胶的制备

  为解决这一挑战，武汉大学资源与环境科学学院陈朝吉教授、施晓文教授团队联合武汉大学土木建筑工程学院欧阳稳根教授团队基于剪切流体诱导的微纳米纤维组装策略，在壳聚糖溶液中定向形成高长径比的壳聚糖微米纤维以及纳米纤维。通过冷冻-解冻的方法，两种不同尺度的纤维可以受到冰晶生长的驱动自组装形成交错微纤维和纳米纤维的互连三维（3D）网络结构，无需冷冻干燥即可形成力学性能良好的壳聚糖冷冻凝胶（CMNF）。在这个多尺度网络中，纳米纤维起到连接微纤维的作用，提高了稳定性，而微纤维通过长程相互作用提高了CMNF冷冻凝胶的弹性。双尺度纤维的协同作用赋予CMNF冷冻凝胶与单尺度纤维组装的冷冻凝胶相比具有优异的力学性能，包括超高极限应变（97%应变，50次循环）、优异的抗疲劳性（3200次循环压缩，60%压缩应变）和快速水触发形状恢复（小于1秒恢复）。此外，纤维状CMNF冷冻凝胶还可用于柔性电子和环境污染物处理方面。

图3 壳聚糖冷冻凝胶的力学性能

  研究者系统研究了所制备冷冻凝胶的力学性能。CMNF冷冻凝胶可以很容易地压缩，随着施加载荷的释放，由于其高孔隙率，CMNF冷冻凝胶可以在约180毫秒内快速吸水并完全恢复其原始形状。进一步重复压缩实验表明，CMNF冷冻凝胶即使在50次重复超高压缩应变（97%）下，仍具有优异的结构稳定性。与其他聚合物冷冻凝胶相比，该方法获得的冷冻凝胶具有更高压缩性、优异的抗疲劳性和显著提高的稳定性。

图4 不同尺度纤维网络的压缩力学模拟

  采用有限元模拟方法研究了冷冻凝胶的压缩力学性能，并用纤维网络模型进行了模拟。研究者分别构建微米、纳米和微纳米混合纤维网络模型，进一步分析了模型在压缩过程中的应力-应变曲线以及von-Mises应力分布。混合纤维网络中的最大von-Mises应力显著高于仅由单一纤维组成网络中的应力。对于单独的微纤维网络，尽管每根大纤维都足够坚固，但网络结构连接松散且容易变形。相比之下，纳米纤维网络中纤维之间广泛交联，配合其高的长径比形成稳定而柔软的结构。混合纤维网络克服了由单一类型纤维网络的缺点，应力分布表明，由大纤维形成的骨架是混合纤维网络中的主要承力部分，大纤维和小纤维之间强而紧密的交联赋予了网络优异的力学性能。

  上述研究成果以“Bioinspired Multiscale Micro-/Nanofiber Network Design Enabling Extremely Compressible, Fatigue-Resistant, and Rapidly Shape-Recoverable Cryogels”为题在线发表于期刊《ACS Nano》上。该研究工作由武汉大学完成，武汉大学资源与环境科学学院博士研究生齐鲁荷为论文第一作者，武汉大学陈朝吉教授、施晓文教授和欧阳稳根教授为论文通讯作者。感谢武汉大学、国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金对该工作的资助。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10462

  招聘启事：武汉大学陈朝吉教授课题组主要从事生物质基环境友好功能材料研究，目前课题组亟需新生力量（硕士研究生、博士研究生、联培生、博后、预聘岗研究员系列及固定岗讲师/副教授）加入，欢迎具有高分子化学、材料、能源环境、生命周期评估或理论计算相关背景的同学和学者加入团队（http://biomass.whu.edu.cn/index.htm）。现课题组拟招聘1-2名博士后，年龄原则上不超过35岁，卓越博士后年薪35-40万、重点资助博士后年薪25-30万（特别优秀者面议），另有科研奖励。感兴趣者欢迎直接联系陈朝吉教授（chenchaojili@whu.edu.cn），邮件附上简历及1-3篇代表性学术论文并注明应聘。