DeepSeek读文献：AFM综述-抗疲劳水凝胶的设计

摘要：

水凝胶因其高含水量、生物相容性和可调控的机械性能，在生物医学、软机器人和电子设备等领域具有广泛的应用前景。然而，水凝胶在长期循环载荷下的疲劳问题限制了其实际应用。本文综述了近年来关于水凝胶疲劳行为的研究，总结了增强水凝胶抗疲劳性能的策略和机制。重点讨论了通过多尺度机制（网络、相互作用、介质和结构）设计抗疲劳水凝胶的方法，并提出了通过空间约束主链来延缓裂纹扩展的设计原则。本文旨在推动抗疲劳水凝胶在多个领域的实际应用。

1. 引言

水凝胶由聚合物及其周围的介质组成，广泛存在于植物、动物和微生物的细胞、组织和器官中。水凝胶具有高吸水性和良好的生物相容性，自1960年Wichterle和Lim首次合成聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA）水凝胶以来，水凝胶的研究经历了三个阶段：第一代水凝胶为单一化学交联的水凝胶，第二代水凝胶为刺激响应性水凝胶，第三代水凝胶则致力于开发具有极端性能的水凝胶。水凝胶在生物医学、软机器人和电子设备等领域有广泛应用，但在长期循环载荷下容易发生疲劳失效，因此设计抗疲劳水凝胶成为当前研究的热点。

2. 水凝胶疲劳断裂的探索

2003年，Gong等人首次提出了具有橡胶弹性的高强度水凝胶，开启了水凝胶设计的新时代。双网络水凝胶通过短链网络断裂吸收机械能量，长链网络保持结构完整性，显著提高了水凝胶的韧性。然而，在循环载荷下，不可逆的耗散机制（如聚合物链断裂）会逐渐耗尽，导致疲劳裂纹扩展。疲劳阈值是材料在无限循环载荷下抵抗裂纹扩展的最小能量。研究表明，通过动态键作为牺牲键可以显著提高水凝胶的断裂韧性，但对疲劳阈值的影响有限。

3. 抗疲劳水凝胶的设计原则

尽管已有多种策略用于提高水凝胶的抗疲劳性能，但尚未形成系统化的设计方法。本文提出了通过空间约束主链来延缓裂纹扩展的设计原则。具体策略包括：

• 聚合物网络结构设计：通过裂纹尖端软化、功能性交联剂和长链聚合物增强水凝胶的抗疲劳性能。

• 相互作用设计：利用氢键、离子键、动态共价键、疏水相互作用和范德华力等相互作用增强水凝胶的机械性能和抗疲劳性能。

• 介质优化：通过调节水含量和溶剂替代优化水凝胶的机械性能。

• 结构设计：通过引入高结晶域、分层结构和各向异性结构增强水凝胶的抗疲劳性能。

水凝胶与材料的界面粘附强度对其应用至关重要。传统的能量耗散机制在循环载荷下难以修复，导致界面疲劳裂纹扩展。通过引入长链聚合物、纳米结构锚定和多尺度相互作用增强界面粘附的抗疲劳性能。

5. 抗疲劳水凝胶的应用

抗疲劳水凝胶在传感器、执行器、光学器件、涂层、电子设备、药物释放和组织工程等领域有广泛应用。例如，抗疲劳水凝胶传感器可用于监测肌肉疲劳，抗疲劳水凝胶执行器可用于软机器人，抗疲劳水凝胶光学纤维可用于神经工程。

6. 结论与展望

尽管抗疲劳水凝胶的研究取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，如滞后性、各向异性结构的设计以及在潮湿环境中的膨胀问题。未来的研究应致力于开发具有多功能性和智能化的抗疲劳水凝胶，并进一步优化其机械性能和生物相容性。

总结：

本文系统综述了抗疲劳水凝胶的设计原则、机制及其在多个领域的应用。通过多尺度机制（网络、相互作用、介质和结构）设计抗疲劳水凝胶，提出了通过空间约束主链来延缓裂纹扩展的设计原则。抗疲劳水凝胶在传感器、执行器、光学器件、涂层、电子设备、药物释放和组织工程等领域具有广泛的应用前景。未来的研究应致力于开发具有多功能性和智能化的抗疲劳水凝胶，并进一步优化其机械性能和生物相容性。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313498

来源：DeepSeek