大多数水凝胶，尤其是基于自由基聚合的体系，通常依赖加热或光照实现凝胶化。尽管超声技术在医学和工程领域应用广泛，但利用超声空化的力作用进行水凝胶合成仍较为罕见，其背后的声力化学机制亦尚不明确。本研究报道了一种基于超声空化的快速、无引发剂、耐氧的抗冻韧性水凝胶制备方法，并探讨了其作用机制。通过在凝胶溶液中引入多元醇溶剂和增稠聚合物，增强自由基生成并促进互穿网络的形成。以聚丙烯酰胺-海藻酸盐韧性水凝胶为模型体系，展示了快速凝胶化（最短仅需2分钟）及高断裂韧性（高达600 J/m2）。通过调控超声强度、交联剂与单体比例以及甘油浓度，建立了声凝胶的合成-结构-性能关系，并结合分子、光学和力学测试揭示其形成机理。凝胶化过程中超声作用与流体对流的协同效应，使所得声凝胶具备独特的微观结构和力学性能。

  本研究还展示了利用非聚焦及高强度聚焦超声制备复杂结构水凝胶。超声驱动的局部快速凝胶化能力可应用于3D打印，尤其适用于深部组织内水凝胶的原位成型。与加热难以精确控制、光照难以穿透体内组织相比，超声具备优异的空间穿透性和可控性，甚至能够在人体内部实现水凝胶的精准构建。这一特性为组织工程、组织修复及可植入医疗器械等领域开辟了新的可能性。

  该研究成果以“Ultrasound Cavitation Enables Rapid, Initiator-Free Fabrication of Tough Anti-Freezing Hydrogels”为题发表在Advanced Science。论文第一作者为麦吉尔大学机械工程系硕士生程一洵，通讯作者为麦吉尔大学加拿大研究讲席教授李剑宇。李剑宇课题组长期致力于创新力学设计与工程方法在生物材料领域的应用，解决生物医学及工程领域的关键挑战。相关研究成果包括：可控超声粘附（Ma，Science 2022）、体液调控可打印生物胶水（Ma，Advanced Functional Materials 2024）、可控动态粘附水凝胶（Yang，PNAS 2023）、力控药物释放水凝胶（Mendez，Advanced Materials 2022）等。

  近期，加拿大麦吉尔大学李剑宇课题组报道了一种利用超声空化合成抗冻韧性水凝胶的新策略。通过在凝胶溶液中加入多元醇溶剂和互穿聚合物，研究人员利用超声空化产生自由基，实现了无引发剂且耐氧的凝胶化。研究人员选择了聚丙烯酰胺（PAAm）以及海藻酸盐（alginate）作为模型系统。利用超声空化进行水凝胶合成面临着两个关键挑战：1. 空化产生的自由基寿命极短，从而限制了高分子链的生长与网络形成，导致短链和具有缺陷的网络；2. 超声产生的射流会分散自由基，影响网络的连接。为了解决上述问题，研究人员通过加入具有良好的生物相容性的添加剂以优化凝胶溶液：1. 通过加入甘油，可增幅空化导致的自由基生成。同时，甘油使得合成后的声凝胶具有抗脱水和抗冻的性质；2. 通过加入互穿聚合物如海藻酸盐增加溶液的粘度，可以促进网络连接。同时，海藻酸盐可通过钙离子后交联形成一层牺牲增韧网络，从而实现凝胶的高断裂韧性（图一所示）。

图一无引发剂且耐氧的超声合成韧性水凝胶

  为了表征超声空化导致的成胶过程，研究人员结合了高速摄像机和偏振成像技术，用以监测超声激励下的凝胶溶液状态（如图二所示）。在前成胶化阶段，气泡在均质溶液里自由移动，活性物质进行扩散，聚合物链开始生长，对应于溶液的线性聚合及局部网络生成；随着长链数量增加，在超声增强的对流驱动下，活性交联点快速地构建网络，使得短时间内快速成胶。超声空化和声流的协同效应加速聚合，实现了传统方法无法实现的快速凝胶化。

图二甘油辅助的声凝胶化过程的光学表征

  为了探究空化引发的凝胶化的机理，研究人员对该过程进行了分子表征。首先，通过电子顺磁共振（EPR）确认了超声作用下产生的自由基种类，阐明了在无引发剂，含甘油的凝胶体系中声化学反应途径，表明了甘油在空化引发的声凝胶化中的关键作用 （如图三所示）。

图三空化引发的声凝胶化机理

  接着，研究人员探究了各项参数对于超声空化引发的声凝胶化以及声凝胶机械性质的影响。在海藻酸盐浓度较低时，溶液粘度较低，剧烈的液体流动会促进界面气体在反应区域的扩散，影响聚合和交联过程，使得形成的半互穿聚合物网络声凝胶的压缩模量下降。随着海藻酸盐浓度升高，溶液粘度增加，气体和反应物的扩散减慢，使得凝胶化完成。但在过高的海藻酸盐浓度和液体粘度下，低聚物的移动受到限制，反而阻碍了连续聚合物网络的形成（如图四a所示）。

  甘油对于凝胶溶液的粘度和自由基生成皆有影响。甘油浓度与溶液的粘度成正相关。在高粘度下，空化气泡的生成与破裂受到抑制。随着甘油浓度的降低，形成的半互穿聚合物网络声凝胶的压缩模量和断裂韧性均增加，这调和了一般水凝胶中的高模量和高断裂韧性的矛盾（如图四b，c所示）。同时，随着甘油浓度的增加，成胶时间降低，表明了甘油和空化在加速凝胶化中的协同作用。

  为了进一步优化声凝胶化条件，研究人员还探究了超声功率密度和交联密度对于声凝胶的机械性质的影响。最小成胶所需的功率密度约为28 W/cm²，可在3分钟内成胶 （如图四d所示）。在低和中强度下，声凝胶模量随着超声作用时间增加而增加；当在高强度超声下，声凝胶模量在初始时间增加，随后下降。这可以归因于由空化引起的声化学反应与机械损伤之间的竞争。传统水凝胶通常展现交联密度和断裂韧性的矛盾关系。然而，在声凝胶中，这一关系可以被超声强度调节。在低强度下，交联剂浓度越高，聚合物网络的完成程度越高，因此断裂韧性越高；在高强度下，过量的交联剂使得聚合物网络中的链过短，使得断裂韧性降低（图四e）。

图四甘油辅助的声凝胶化过程的机械表征

  随后，研究人员探究了超声空化制备的的声凝胶的性能与适用性。相比于不含甘油的声凝胶，含甘油的声凝胶表现出了出色的稳定性：在常规环境中储存一周，其质量仅下降25%左右（如图五a所示）；在-20 ℃环境下，声凝胶仍然保持透明以及可拉伸性，表明其出色的抗冻能力（如图五b所示）。研究人员将超声空化方法与传统的室温凝胶化，热引发以及光引发凝胶化过程相比对，发现超声空化声凝胶化具有诸多优势：1. 室温凝胶化所需时间为一周，热引发和光引发分别需要一个小时和五分钟，而超声空化仅需要两分钟即可实现凝胶化。同时，热引发和光引发还需要具有细胞毒性的引发剂，如过硫酸铵（APS）和α-酮戊二酸等；2. 研究人员通过扫描电镜（SEM）表征不同方法制备的凝胶的微观结构（如图五c所示），发现声凝胶与热引发制备的凝胶结构类似，具有均匀的蜂窝状孔洞分布。这可能归因于凝胶化过程中由超声增强的物质运输导致的柔性聚合相。光引发和室温凝胶化形成的凝胶微结构则相对不均匀，可能是由自由基的非均匀分布导致的；3. 声凝胶也表现出较高的断裂能，几乎比热引发和光引发制备的凝胶高出一个数量级（如图五d所示）。研究人员还将超声空化方法应用于不同的乙烯基单体和互穿聚合物网络系统，制备得到的凝胶均具有可观的断裂韧性（如图五e所示）。

  最后，研究人员基于超声空化诱导的声凝胶化原理，展示了两种潜在的应用，即二维非接触式超声打印（如图五f，g所示）以及空间精度更高的高强度聚焦超声（HIFU）打印（如图五h，i所示）。

图五声凝胶的性能以及适用性

  本研究报道了一种策通过利用和控制超声空化引发的自由基聚合来制备耐冻韧性水凝胶的策略。通过系统性研究，研究人员揭示了空化引发声凝胶化的潜在机制，表征了所得声凝胶的结构与性能，并通过调节超声参数和材料配方优化了声凝胶化条件。与传统凝胶化方法（如热引发和光引发）相比，超声空化诱导的声凝胶化展现出关键优势，包括无引发剂反应、耐氧、快速凝胶、高断裂韧性以及所得凝胶的均匀微观结构。该策略适用于多种材料体系和超声技术。此外，本工作成功将高强度聚焦超声（HIFU）整合进该过程，实现了精确、局部的凝胶化，推动了声凝胶化在空间控制方面的应用潜力。这种超声驱动的方法，结合已展示的HIFU应用，为制备高强度水凝胶提供了一种独特且多功能的策略。而对超声驱动的水凝胶形成过程的进一步研究则需要借助计算建模。未来与其他超声模式（如成像和消融）的整合，有望进一步增强水凝胶系统的多功能性。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202416844