王文新教授团队提出 framework-flexible（FF）水凝胶设计策略。该工作入选 Advanced Functional Materials 期刊封面，为高强韧、可注射、细胞相容的生物医用水凝胶提供新的网络设计思路。

封面图：该工作入选 Advanced Functional Materials 期刊封面。图中以注射器、可拉伸水凝胶网络和局部放大的刚柔链结构，直观呈现 FF 水凝胶“可注射、高韧性、可承载、可耗能”的核心设计。

  可注射水凝胶一直有一个看似简单、实际很难同时满足的要求：注射前要足够温和、可流动，能够通过微创方式进入目标部位；注射后又要快速成胶、稳定停留，并在真实生理环境中承受压缩、形变和反复机械刺激。换句话说，它既要“进得去”，也要“撑得住”。这也是生物医用水凝胶走向真实应用时绕不开的核心矛盾。很多水凝胶可以很软、很像组织，也可以通过提高聚合物浓度或构建复杂网络变得更强。但对于可注射体系而言，材料浓度、成胶条件、细胞相容性和力学可靠性往往互相牵制。

  能不能不依赖高浓度、多步骤、复杂的多网络设计，而是通过设计单网络拓扑结构，让可注射水凝胶在保持合适浓度和生物相容性的同时获得更高强度、更好韧性和更稳定的抗疲劳表现？

从一个力学矛盾出发

  围绕这一问题，安徽理工大学及都柏林大学王文新教授团队近日在 Advanced Functional Materials 发表研究论文 “Tough Injectable Hydrogels Enabled by Integrating Rigid Homogeneous Framework With Flexible Chains”。宋日健博士为论文第一作者，李强教授、阿斯根教授及王文新教授为通讯作者。

  这项工作提出并系统验证了一种 framework-flexible，简称 FF 的水凝胶设计策略：在刚性的透明质酸 HA 均一框架中，引入柔性的聚乙二醇 PEG 长链连接单元。

  这个设计并不追求把水凝胶做得更复杂，而是尝试回答一个更基础的问题：可注射水凝胶为什么容易在受力时失效？

  问题不只是材料“不够多”或“不够硬”，更关键的是网络内部是否存在应力集中，以及外界输入的机械能是否能够被有效分散和耗散。

图1. FF 可注射水凝胶的设计概念：在刚性 HA 均一框架中引入柔性 PEG 长链，以改善应力分布并增强能量耗散。

把“硬骨架”和“柔性链”放进同一个网络

  传统单网络水凝胶中，短链交联结构容易在受力时形成局部应力集中。当材料受到压缩或变形时，如果网络缺少足够的缓冲和耗能空间，裂纹或局部破坏就更容易发生。

  FF 水凝胶的思路，是重新安排力在网络中的传递方式。其中，HA 均一框架提供相对刚性、稳定的主体结构；PEG 柔性长链则像嵌入网络中的“缓冲带”，在受力过程中提供更大的链段变形空间和能量耗散能力。因此，这个体系并不是简单地把水凝胶做“更硬”，而是让网络更会“承受”。这也是这篇文章最值得关注的地方：它把可注射水凝胶的强韧化，从配方优化推进到结构设计。

图2. 通过调节刚性短链与柔性长链比例，实现网络结构和压缩力学性能的系统调控。

低浓度下同时提升强度和韧性

  实验结果显示，优化后的 FF 水凝胶相较于不含 PEG 的单网络对照体系，压缩强度提高约 7 倍，压缩韧性提高约 4 倍。更重要的是，这种提升并不是通过大幅增加聚合物含量获得的。论文结论中指出，该体系在仅 1.5 wt.% 聚合物浓度下即可获得显著增强的力学性能。

  对于可注射水凝胶而言，这一点尤其关键。低浓度有助于保持材料的高含水特征、可注射性和生物医学适配潜力；而力学增强又使材料更有可能在复杂组织环境中保持稳定。因此，这项工作不仅提供一个“更坚韧的可注射水凝胶”，而是提出一种可被扩展的水凝胶网络增韧方式。

图3. 聚合物浓度和链长进一步调控 FF 水凝胶的力学表现，体现该策略的可设计性。

不是“压一次很强”，而是反复受力仍可靠

  在生物医用场景中，单次压缩强度并不能完全代表材料表现。真实组织环境中，水凝胶可能会经历持续压缩、周期性形变和反复机械扰动。因此，抗疲劳性能往往比单一强度数值更接近实际需求。作者进一步研究了 FF 水凝胶在循环压缩条件下的表现。结果表明，FF 网络能够在反复受力过程中维持有效的能量耗散，并尽可能减少不可逆结构破坏。这说明该体系并不是“压一次看起来很强”，而是在连续受力下仍具有较好的结构可靠性。对于软组织修复、局部递送、组织填充和细胞装载等潜在应用，这种稳定性具有更直接的应用价值。

图4. 连续压缩循环测试显示，FF 架构可在反复受力下保持有效能量耗散和较好的网络完整性。

从一个配方，到一种可以迁移的设计原则

  这篇文章另一个值得强调的地方，是它并不止于报道一个性能不错的配方。通过调节聚合物浓度、柔性链长度以及刚性框架与柔性链之间的比例，作者系统展示了 FF 网络的可设计性。类似的增强趋势也可以在其他水凝胶体系中被观察到，说明这一策略具有一定普适潜力。这对同行研究者很重要。因为真正值得被引用的工作，往往不仅提供一个材料体系，更提供一种可以被借鉴、比较和拓展的设计理论。在这项研究中，这个设计理论可以概括为：用刚性均一框架降低结构缺陷和应力集中，用柔性长链扩大可变形区域并增强能量耗散，在二者协同下提升单网络可注射水凝胶的力学效率。

图5. 在额外水凝胶体系中观察到类似增强趋势，说明 FF 策略具有可迁移和可拓展的设计潜力。

保持良好的细胞相容性

  对于生物医用水凝胶而言，力学性能只是第一步。材料最终需要进入与细胞和组织接触的环境，因此细胞相容性是判断其应用潜力的重要前提。在这项工作中，FF 水凝胶的制备过程避免使用有毒单体、交联剂或引发剂；细胞活性测试也显示，不同配方组在培养过程中维持了较高的细胞活性。这也是 FF 策略面向生物医用材料时的优势之一：它不是单纯追求高强度，而是在可注射性、力学可靠性和细胞友好性之间寻求更合理的平衡。

图6. 细胞相容性评估显示，FF 水凝胶体系维持了较高的细胞活性，表现出良好的细胞相容性。

为什么这篇文章值得关注和引用

  第一，它针对的是可注射水凝胶领域的一个共性问题：如何在温和成胶、低聚合物浓度、生物相容性和力学可靠性之间取得更好平衡。

  第二，它提出的 FF 策略不是单一配方经验，而是围绕网络均一性、链长差异、应力分布和能量耗散建立的结构设计思路。

  第三，它用压缩力学、循环疲劳和细胞相容性测试构建了相对完整的证据链，使该体系不仅具有材料力学意义，也更接近生物医用水凝胶的实际临床需求。

  因此，对于从事高分子水凝胶、软材料力学、可注射生物材料、组织修复材料和细胞递送平台研究的读者，这篇文章可以作为“单网络水凝胶强韧化设计”的一项具有重要参考价值的研究。

团队工作的连续性

  王文新教授团队长期关注基于功能化生物材料的可注射水凝胶、生物医用软材料和再生医学应用。与传统强调单一性能指标的水凝胶研究不同，团队更关注材料在真实生物医学应用中需要同时面对的多个问题：如何注射、如何成胶、如何兼顾细胞和组织相容性、以及与活性成分配合发挥生物学作用。

  这项 FF 水凝胶工作，也延续了这一研究脉络。它从一个具体材料体系出发，但目标并不局限于一个配方，而是希望为可注射水凝胶的结构设计提供更清晰的原则。对于面向转化的生物医用材料而言，这类工作的重要性在于：它把“能不能做出来”进一步推进到“为什么这样设计更可靠、这种设计能否被更多体系借鉴、以及这一设计能否为后续生物医用转化研究提供基础”。

结语

  总体来说，这项研究为可注射水凝胶提供了一条简洁而有效的增韧路径：通过在刚性均一框架中整合柔性长链，使单网络水凝胶在保持可注射性和细胞相容性的同时，获得更高强度、更好韧性和更稳定的抗疲劳表现。如果说未来的生物医用水凝胶需要同时满足“柔软、强韧、可递送、可相容”，那么 FF 策略提供的正是一种值得继续拓展的网络设计思路。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202532133

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