IF=83.5 ！《Nature子刊！》龚剑萍教授最新综述：强韧水凝胶设计策略！

自2000年以来，科研人员通过引入结构创新和能量耗散机制，比如双网络水凝胶和多级结构水凝胶，显著提升了水凝胶的机械性能。这些高性能水凝胶展现了优异的断裂能量和抗疲劳性能，使得其在高负荷环境下的应用成为可能。目前，经过约二十年的研发，水凝胶的断裂能量和疲劳阈值已达到新的高度，使其在人工软骨等应用中具有极高的潜力。此外，研究人员还在探索如何利用生物系统的策略，开发自愈合和各向异性的水凝胶，以适应复杂的使用环境。

龚剑萍教授（左）和李薛宇助理教授（右）

鉴于水凝胶溶胀和溶胀特性的重要性，以及水凝胶在液体介质中处于溶胀平衡状态的实际需求，北海道大学龚剑萍教授和李薛宇助理教授发表综述文章，全面概述了韧性水凝胶的设计原则。还提出了获得适应周围机械环境的自生长和增强水凝胶策略。本文从溶胀（swelling）和脱水（deswelling）的角度探讨了实现高机械性能的设计策略。作者首先使用基本的水凝胶模型来阐明分子结构和溶胀或脱水对机械性能的影响，包括弹性模量、延展性、强度、韧性和抗疲劳性。然后，作者讨论了获得坚韧水凝胶的主要设计策略，以及开发抗疲劳水凝胶和了解其潜在机制的进展。作者重点介绍了最近开发的具有组织样自生长特性的自增强水凝胶的策略。最后，作者强调了发展非弹性断裂力学理论的挑战和趋势，以捕捉大变形行为和下一代坚韧水凝胶的实际生物应用。相关成果以“Design principles for strong and tough hydrogels”为题发表在《Nature Reviews Materials》上，李薛宇助理教授一作兼通讯。

图1：水凝胶溶胀、脱水和断裂行为力学模型

图2：溶胀（弹性）水凝胶模型

图 3：脱水（粘弹性）水凝胶和具有高阶结构的水凝胶

图4：通过各种策略制备的水凝胶的断裂能和疲劳阈值与弹性模量和强度的关系

图5：水凝胶抗疲劳性测量及机理

图 6：机械化学强化和自生长水凝胶策略

图 7：力诱导 DN 水凝胶的自生长和强化

作者简介

龚剑萍，北海道大学教授(Distinguished professor),于浙江大学获学士学位，于日本茨城大学获硕士学位，在东京工业大学获得工学博士学位，而后在北海道大学获得理学博士学位。龚剑萍教授自2003年开发出双网络(DN)水凝胶并阐明其增强增韧机理及2019年发现DN凝胶自生长现象后，“又“牺牲键”及“自生长”等理论就被广泛应用于开发网络”高韧性高分子材料。而龚剑萍教授课题组更是将其延伸到软物质研究的各个细分领域。已发表论文及著作600余篇，被引用超过40000次，h因子97。

李薛宇，北海道大学助理教授，2017毕业于中国科学技术大学，主要研究方向为坚韧自修复水凝胶的疲劳和断裂机制。研究成果多次发表在Nature Reviews Materials、 PNAS、Science Advances等国际著名期刊上。

来源：材料基