水凝胶是一种极为亲水的三维网络凝胶。许多生物体的组织都可视为生物水凝胶。生物水凝胶（如软骨，肌腱等）在准静态和冲击载荷下均具有优异的力学性能，长期以来一直是设计合成水凝胶的灵感来源。合成水凝胶的研究主要集中在准静态载荷下的力学性能，对其动态力学响应的关注匮乏。而冲击载荷在生活中普遍存在，如步行、跳跃和跑步等都会对组织造成冲击。因此设计在准静态和冲击载荷下均强韧的水凝胶，并探测其冲击响应具有很大的重要性。

  近期，南方科技大学软体力学实验室杨灿辉团队报道了一种抗冲击的强韧水凝胶复合材料，并使用低速冲击评估其冲击性能。水凝胶复合材料的设计灵感来自关节软骨，覆盖在骨骼上以承受冲击载荷（图 1a）。在结构上，关节软骨主要由蛋白多糖的聚合物基体，与软骨细胞和由胶原蛋白编织的纤维网络相互渗透组成。类似地，水凝胶复合材料以韧性的Ca-algiante/PAAm双网络水凝胶作为基体、刚性的编织玻璃纤维作为增强相，同时两者之间界面以共价键形式结合形成强界面，从而能够抵抗冲击载荷（图 1b和图2a）。从材料横截面的扫描电镜图中可以看出相邻纤维之间和纤维束之间的间隙中填充大量水凝胶（图2b）。 

 图2 水凝胶复合材料表征

图3 准静态力学性能表征

 图4 拔丝实验

图5 不同速度冲击下力学性能表征

图6 3D-DIC 图像展示水凝胶复合材料在 5.5 m/s冲击速度下 Von-Mises 应变场的演变

 图7 循环冲击载荷下力学性能表征

图8 应用展示

  综上所述，该工作表明抗冲击的强韧水凝胶复合材料的三个关键因素：韧性的水凝胶基体、刚性的增强相和两者之间的强界面。同时对其进行了多种载荷下力学性能测试，以表明合成的水凝胶复合材料在准静态和冲击载荷下表现出优异的力学性能。鉴于冲击载荷的普遍性，冲击载荷下水凝胶的研究将受到越来越多关注。

  该工作以“Strong Interfaces Enable Efficient Load Transfer for Strong, Tough, and Impact-Resistant Hydrogel Composites”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是南方科技大学力学与航空航天工程系博士后薛琪琦博士；合作作者包括南方科技大学力学与航空航天工程系博士研究生何云峰，博士后张笑宇博士和张新助理教授，南方科技大学材料科学与工程系蔡旻堃硕士研究生和郭传飞副教授；通讯作者为南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉助理教授。