《Macromolecules》高韧性与显著各向异性的条纹图案化水凝胶复合材料！

引言：

仿生软材料在组织工程与人工器官领域具有重大应用潜力，但如何突破传统材料强度-韧性-各向异性难以协同提升的瓶颈，仍是制约其发展的核心难题。受肌肉、肌腱等天然承重组织启发，西安交通大学郑庸教授团队创新提出拓扑结构工程化设计策略，成功开发兼具高韧性与显著各向异性的条纹图案化水凝胶复合材料。

研究背景：

传统水凝胶体系（如双网络水凝胶、滑环水凝胶等）虽通过分子网络设计显著提升力学性能，但受限于均质化结构特征，难以模拟天然组织的各向异性响应。现有3D打印、光刻技术构建的结构化水凝胶多聚焦于形态调控，在实现承重组织级力学性能方面仍存在显著差距。

目前痛点：

（1）结构仿生局限：宏观均质网络难以复现生物组织的多级有序结构

（2）界面结合难题：异质相间界面缺陷导致应力集中与性能衰减

（3）性能协同困境：各向异性设计与高韧性需求存在本质冲突

（4）制备技术瓶颈：复杂结构的精准构筑与界面调控缺乏有效手段

本文创新点：

研究团队提出"拓扑结构聚合物网络（TPN）"新概念，通过三步顺序聚合法与光刻技术集成创新，实现三大核心突破：

► 结构设计革新

• 构建宏观两相复合结构：软相基体（低交联网络）与硬相条纹（高交联网络）交替排列

• 创新拓扑缠结机制：通过聚合物网络互穿实现无缺陷相界面，界面粘附强度提升300%

► 性能跨越式提升

• 强韧协同：裂纹扩展阻力较传统水凝胶提高5倍

• 可控各向异性：拉伸模量各向异性比达4.7:1，压缩强度方向差异超3倍

• 动态适应性：软硬相协同变形实现能量耗散效率最大化

► 技术体系创新

开发光刻辅助顺序聚合技术，突破微米级特征结构（50-200 μm）精准构筑难题。建立"结构参数-力学响应"定量模型，实现各向异性程度的可编程调控。

该工作以“Topoarchitected Polymer Network Hydrogels with High Toughness and Anisotropic Properties”为题发表在Macromolecules上。西安交通大学郑庸教授、胡建教授为本文通讯作者，Xiao Liu为本文第一作者。

图1：材料合成思路

图2：材料表征

图3：材料力学性能

图4：材料力学性能

图5：材料力学性能

Doi: 10.1021/acs.macromol.5c00043

来源：高分子网络