水凝胶是一类具备三维网状结构以及良好的亲水性的高分子材料，但水凝胶材料天生质弱，强度低、韧性差，这大大限制了其应用范围。近日，中南民大超支化聚合物团队张道洪教授、姜宇教授将超支化拓扑结构引入水凝胶网络中，利用超支化拓扑结构调控水凝胶微相分离，实现了高强韧水凝胶的高效构建，相关成果以“Strong and Ultra-Tough Hydrogel with Hierarchical Cross-Linking Network Architecture Constructed by Hyperbranched Topological Structure”为题，发表在高分子科学顶级期刊Macromolecules上（Macromolecules 2025, 58, 6512?6523），并被选为内页封面。化材学院硕士研究生朱颖为论文第一作者，张道洪教授、姜宇教授为论文通讯作者，中南民族大学为论文第一署名单位。

  本工作将具有不同拓扑参数（支化度（DB）、支化点间距（S_n）、羧基官能度（f））的超支化分子引入聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶网络中制备了具有不同超支化拓扑结构的水凝胶材料。研究表明，相比于线形结构交联的水凝胶，超支化大分子的引入能显著提高水凝胶的力学性能，其拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量和断裂韧性分别可达7.3 MPa、323%、34.23 MPa、19.5 MJ m^-3。微观结构分析表明，通过调节超支化分子的拓扑结构参数，能够有效调控水凝胶的微相结构。一方面，引入具有适中DB和S_n值的超支化分子所构筑的水凝胶呈现出了最均匀致密的微相分离结构和最优的动态/非动态交联平衡；另一方面，超支化分子中羧基官能度的增加，有利于形成更多的离子配位键和更均匀的疏水结构域，这二者能够协同提升水凝胶的机械性能。

图1. 超支化水凝胶的设计与制备

图2. 超支化水凝胶的机械性能表征

图3. 超支化水凝胶的微观结构表征

图4. 超支化水凝胶的增强增韧机理

  该水凝胶还展现出了优异的非传统荧光性能和导电性。水凝胶的荧光发射源于交联网络中非传统发色团的空间共轭效应，且荧光强度与应变呈现显著的负相关关系。此外，通过调节超支化分子的拓扑结构，可精确调控水凝胶网络的微观结构，进而优化材料内部的离子传输路径，最终实现水凝胶电导率的可控调节。鉴于上述特性，该水凝胶在传感器领域展现出显著优势，可实时感知人体关节的微小形变，并通过可视化信号定量反馈运动状态，在智能可穿戴设备领域展现出广阔的应用前景。

  张道洪教授领衔的超支化聚合物团队入选了湖北省自然科学创新群体、湖北省科技创新团队和国家民委创新团队。依托催化转化与能源材料化学教育部重点实验室和超支化聚合物合成与应用技术湖北省工程研究中心，主要围绕超支化聚合物“基础理论-关键技术-工程化与应用示范”创新链展开应用基础研究。近年来，团队在超支化拓扑结构精准调控（Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 624; Angew. Chem. 2022, 61, e202211713; Chem. Eng. J. 2020, 387,124071; 2018, 334, 1371）、超支化聚合物结构与性能调控（Adv. Mater. 2024, 36, 2308434; Angew. Chem. 2023, 62, e202310832; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977; Nat. Sustain., 2020, 3, 29; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J. 2023, 465, 142998 )、超支化聚合物循环回收利用(Nat. Commun. 2024, 15, 4869; Macromolecules, 2023, 56, 5290; Chem. Eng. J. 2023, 471, 144329; ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11, 11077）等领域取得了一系列研究进展，促进了相关领域快速健康发展。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00513