上海
哈佛大学锁志刚教授团队联合浙江大学、南洋理工大学的研究人员在《自然·通讯》发表重要研究成果，成功开发出一种基于超长聚合物链与物理交联域的新型水凝胶。该材料首次实现了高模量（510 kPa）、高疲劳阈值（184 J/m²）与低滞后性（13%）的协同提升，突破了传统聚合物材料性能相互制约的难题，为人工软骨、柔性电子等领域的应用开辟了新方向。
研究背景：材料性能的“不可能三角”
传统聚合物材料面临固有矛盾：共价交联网络虽能提高模量，却因链段短而牺牲抗疲劳性；物理交联材料虽韧性高，但滞后性大且循环载荷下易失效。例如，天然橡胶滞后低但模量与抗疲劳性差；热塑性聚氨酯模量高却滞后显著；聚乙烯醇水凝胶虽抗疲劳但滞后大。如何同时实现高模量、高抗疲劳与低滞后，成为材料科学领域的长期挑战。
创新设计：超长链与物理交联域的协同机制
研究团队受生物大分子（如蛋白质、核酸）启发，提出“超长共价链+物理交联域”的创新架构（图1）：
图 1 |由物理键结构域交联的异常长的共价键链组成的网络。
超长聚合物链：聚乙二醇（PEG，分子量800万）与聚丙烯酸（PAAc，分子量200万）形成超长链，其均方根末端距远超物理交联域尺寸（30-60 nm），确保链段可滑动但不易脱出。
物理交联域：PEG与PAAc通过氢键和疏水作用形成纳米级交联域，在低应力下类似“硬颗粒”维持高模量，高应力下链段滑动分散应力，避免能量耗散（图2）。
图 2 |由物理键结构域交联的异常长聚合物的水凝胶。
剪切滞后效应：裂纹尖端的高张力通过链段滑动传递至长链，提升抗疲劳性，而低应力下链段滑移可逆，减少滞后（图4）。
图 3 |PEG 水凝胶和 PEG-PAAc 水凝胶。
图 4 |PEG 水凝胶和 PEG-PAAc 水凝胶的抗疲劳性。
关键实验结果
力学性能突破：PEG-PAAc水凝胶模量达510 kPa（为纯PEG水凝胶的9倍），拉伸强度1.2 MPa，断裂功4200 J/m²，滞后仅13%（图3）。
抗疲劳性飞跃：疲劳阈值达184 J/m²，较纯PEG水凝胶（6.5 J/m²）提升28倍，优于多数已报道材料（图4）。
耐磨性提升：在砂纸循环摩擦测试中，重量损失率较传统水凝胶降低10倍，展现人工软骨应用潜力。
长链必要性：短链（PEG分子量40万）水凝胶因链段易脱出，模量与强度显著下降，验证超长链设计的关键作用（图5）。
图 5 |异常长链的 PEG-PAAc 水凝胶优于短链的 PEG-PAAc 水凝胶。
应用潜力与扩展设计
复杂结构成型：材料可通过模塑、挤出、3D打印制备螺旋、折纸等复杂形状，且溶胀后保持结构完整（图2i）。
化学优化范例：将PAAc替换为聚甲基丙烯酸（PMAAc），利用甲基增强疏水作用，模量进一步提升至1.9 MPa，疲劳阈值达230 J/m²。
工业材料革新：该设计原则可拓展至多嵌段共聚物，解决传统三嵌段材料因链段脱出导致的滞后与疲劳问题。
未来展望
文章指出，该水凝胶的物理交联域可通过化学设计实现动态响应，未来或开发刺激响应型智能材料。此外，通过引入功能化单体或纳米填料，可进一步优化导电性、生物相容性等特性，推动其在柔性电子、生物医学等领域的应用。
来源：材料科学前沿
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