邱东课题组在构筑超硬超韧水凝胶材料方面取得新进展

　　作为与生物组织最接近的合成材料，水凝胶具有独特的软湿性和优异的生物相容性。然而，传统水凝胶的力学性能较弱，仅限于隐形眼镜、伤口敷料、药物递送载体等非承重用途。近年来，研究人员着重发展了水凝胶力学性能的提升策略，展现出其作为承重材料应用于人造支撑组织、软体机器人、制动器等领域的前景。作为承重材料通常需要水凝胶具备优异的综合力学性能，如兼具高模量与高韧性。尽管当前已发展了多种力学性能增强策略，包括双网络结构和双交联模式等，但水凝胶的模量（E）与韧性（Γ）之间仍然存在权衡制约关系（Γ ~ E-1/2），两者难以同时提高，还无法满足承重材料的要求。因此，如何在水凝胶材料中融合高模量与强韧性仍是一个重大挑战。 

　　在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学所高分子物理与化学实验室邱东研究员课题组提出了基于均匀动态交联设计的力学性能增强策略，通过同时触发并充分利用动态交联域（如晶域）的抗形变和耗能机制，实现了高模量与强韧性的兼容。采用盐析辅助溶剂置换的方法，他们构筑了一类由均匀分布的高密度晶域交联的聚乙烯醇水凝胶（PVA sal-exogels）。在受力过程中，均匀分布的高密度晶域既能在小应变下抵抗形变保持完整，又能随着应变增加而逐渐熔融以耗散能量，从而实现了PVA sal-exogels模量（52.3 ± 2.7 MPa）和韧性（120.7 ± 11.7 kJ/m2）的协同增强，调和二者之间的固有制约关系，超越了此前报道的众多高性能水凝胶及弹性体材料。上述设计原则及策略可适用于多种高分子和盐离子的组合，为构筑承重用高性能水凝胶提供了新方法。相关研究成果近日发表于Advanced Materials期刊上（Adv. Mater. 2023, 2209913），通讯作者是邱东研究员，第一作者是徐礼桔助理研究员。 


基于均匀动态交联设计的增强策略及PVA sal-exogels的力学性能