IF=83.5 顶级综述！一作+通讯，水凝胶最新Nature Reviews Materials！

研究背景

水凝胶是一种具有软性和含水性质的材料，在生物医学工程、软体机器人和环境研究等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统水凝胶在实际应用中存在着一个关键问题，即其低机械强度和韧性。这意味着传统水凝胶在承受机械载荷时容易发生破裂，从而限制了其广泛应用的可能性。

为了解决这一问题，科学家们长期致力于开发机械强度和韧性更高的水凝胶。他们发现，传统水凝胶的糟糕机械性能主要源自于其内在特性，例如聚合物密度分布不均匀、缺乏能量耗散机制以及含水量过高等。因此，科学家们开始探索各种新的设计策略，以改善水凝胶的机械性能，从而实现其在各个领域的广泛应用。

成果简介

针对这一挑战，日本北海道大学（Hokkaido University）龚剑萍、李薛宇两个人在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“Design principles for strong and tough hydrogels”的最新综述论文。

本综述旨在解决水凝胶低机械强度和韧性的问题，并提出了一系列解决方案。首先，作者从分子结构和膨胀或脱水的角度出发，分析了这些因素对水凝胶机械性能的影响，包括弹性模量、可延展性、强度、韧性和疲劳抗性等。然后，作者讨论了主要的设计策略，包括改变水凝胶的拓扑结构、引入能量耗散机制以及增强高阶结构等。最后，作者强调了开发具有组织样自生长特性的自强化水凝胶的重要性，并探讨了未来发展方向。

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研究亮点

（1）本文首次探索了水凝胶的设计原则，旨在解决其低机械强度和韧性的问题。

（2）通过分析水凝胶的基本结构特征，研究人员发现传统水凝胶存在网络不均匀性和缺乏能量耗散机制等固有特点。

（3）针对水凝胶的机械性能瓶颈，研究者提出了三大设计策略：设计拓扑结构、引入能量耗散机制和引入高阶结构。

（4）在实验验证阶段，研究团队成功开发了具有高机械强度和韧性的水凝胶，并分别在弹性凝胶和粘弹性凝胶中进行了有效的实践。

（5）实验结果显示，采用这些设计策略后，水凝胶的断裂能量和疲劳阈值得到了显著提高，弹性模量和强度也得到了有效增强。

（6）此外，实验还表明，采用这些策略设计的水凝胶具有自生长和自强化的特性，能够更好地适应周围环境，类似于生物系统的特性。

（7）综合实验结果和分析，本研究为开发实用的水凝胶材料提供了重要的设计原则和方法，为软材料领域的进一步研究和应用奠定了基础。

图文导读

图1：水凝胶溶胀、去溶胀和断裂行为。

图2：溶胀（弹性）水凝胶。

图3：去溶胀（粘弹性）水凝胶和具有高阶结构的水凝胶。

图4：基于各种策略制造的水凝胶，断裂能以及疲劳阈值与弹性模量和强度关系。

图5: 疲劳断裂测量和增强水凝胶抗疲劳机制。

图6: 机械化学强化和自生长水凝胶策略。

图7: 双网络double-network，DN水凝胶中，力诱导的自生长和增强。

总结展望

本文对水凝胶这一类软性材料的深入理解和创新设计。通过结合基础科学和工程实践，作者不仅能够了解水凝胶的机械性能和结构特点，还能够针对实际应用需求进行有针对性的设计和改进。从基础科学的角度来看，作者深入探讨了水凝胶的非线性粘弹性特性，并提出了新的断裂力学理论，以解决其动态行为与传统理论之间的矛盾。这一理论的发展为水凝胶材料的设计和改进提供了新的思路和方法。

从工程实践的角度来看，作者探讨了如何开发具有与特定生物组织相匹配的水凝胶，以满足实际应用的需求。作者不仅考虑了水凝胶的机械性能，还关注了其生物相容性和生化稳定性，以确保植入体内的水凝胶人工组织具有长期稳定的结构和功能。同时，作者也探讨了水凝胶作为一种开放系统的特性，以及如何利用这一特性开发具有新功能的材料，例如利用机械能驱动化学反应的力催化材料。这些工程实践的思考为水凝胶材料在生物医学和其他领域的应用提供了新的可能性和方向。

综合基础科学和工程实践，本文在理论和应用两个层面上为水凝胶材料的研究和开发提供了启示。通过深入理解水凝胶的机械性能和结构特点，以及探索其在实际应用中的挑战和机遇，作者可以更好地设计和改进水凝胶材料，从而推动其在生物医学工程和其他领域的广泛应用。

文献信息

Li, X., Gong, J.P. Design principles for strong and tough hydrogels. Nat Rev Mater (2024).

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