The Innovation | 水凝胶中的“肌肉记忆”

近年来，水凝胶因其良好的柔性与生物相容性，在仿生材料和柔性器件中的应用受到广泛关注。尤其是通过调控牺牲键动力学，实现材料在受力过程中的实时自强化，为开发更耐用、更智能的软物质系统提供了新思路。本推文旨在介绍最近一项具有代表性的研究进展，深化水凝胶自强化机理的认知，推动其在材料科学与工程应用中的发展。

图1The Innovation文章信息截图

“越用越强”的材料不再是幻想，正从想象走向现实

在自然界中，肌肉和骨骼能够通过持续刺激逐渐增强，这是我们所熟悉的“锻炼”机制。然而，绝大多数人工合成材料在反复使用后都会逐渐疲劳、损坏甚至失效。我们能否让这些材料也具备“肌肉记忆”？本文所评述的研究通过设计一类具备可控牺牲键动力学的双网络水凝胶，成功实现了受力时“边损伤边修复”的自我强化过程，首次实现材料“即时自强化”而非事后修复，向着更耐用、更智能的仿生材料迈出关键一步。

图2 利用牺牲键实现水凝胶自强化的机制。(A)两种牺牲键的示意图。(B) DN水凝胶材料的自增强策略。(C) PAMPS-MBA网络C-C键断裂（上）和PAMPS-AAC网络N=N键断裂（下）生成的机械自由基。(D)未强化（左）和强化（右）的双网络水凝胶的拉伸应力-拉伸曲线及相应的分子图。(E)机械自由基聚合实现裂纹强化。

研究背景

合成材料普遍缺乏自适应能力，面对机械应力时往往发生“疲劳失效”。为解决这一问题，研究者们提出通过引入可断裂的弱化学键（即牺牲键），利用其在应力作用下的断裂过程吸收能量，并引发新的聚合网络生成，从而实现材料的动态重构与自我增强。

自强化的实现路径

北海道大学龚剑萍教授团队长期从事水凝胶自适应机制的研究，提出了基于双网络（DN）结构的材料设计策略。该结构中，主网络由坚韧的聚丙烯酰胺（PAAm）提供整体强度；牺牲网络由机械敏感的聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸（PAMPS）和交联剂N,N-亚甲基双(丙烯酰胺)（MBA）构成，通过在拉伸下C-C键或N=N键断裂产生机械自由基。

在其最新发表于Nature Materials的研究中，该团队引入一种新型偶氮烷烃交联剂2,2′-偶氮烷-[2-甲基-n-(2-丙烯酸乙酯)]-丙酰胺（AAC），显著提升了自由基的生成效率。该交联剂在受力变形时优先断裂，触发高效链增长反应，结合预加载的单体与交联剂，能够在数十秒内迅速形成新的聚合网络。具体来说，由AAC交联的聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸（PAMPS）和MBA交联的PAAm组成的DN水凝胶，预负载了单体和交联剂。当受到机械力（如拉伸或剪切力）时，AAC共价键比C-C骨架和传统的MBA交联剂弱，变形时优先断裂。这种选择性键激活增加了机械自由基的浓度，有效地提高了活性位点密度，并通过预载组分的快速聚合加速了新的二级网络的形成。

关键创新

引入的AAC交联剂相比传统MBA交联剂，自由基产率提高5倍；借助预加载单体和交联剂，水凝胶可在应力触发下迅速发生聚合反应，仅需20-50秒即可完成结构修复与增强，使新网络的形成速度加快约100倍；加载速率越低，自强化越充分，该机制适合柔性电子、生物材料等需要缓慢响应的应用场景；传统观点认为，裂纹扩展不可避免地削弱材料强度。本研究表明，裂纹区域正是强化“种子”的温床，自由基生成越多、网络重建越快，越能有效抑制裂纹蔓延并延长使用寿命。

龚剑萍教授团队开创性地通过将键断裂转化为网络重构的催化剂，提出了突破传统断裂力学的“自我强化”机制，显著增强了水凝胶的裂纹抑制和耐久性。这种速率依赖、可调节的强化过程不仅适用于多种聚合物体系，也为机械化学推动下的按需材料设计开辟了新思路。然而，速率依赖悖论、抗疲劳性能及“力学-功能”平衡仍限制了其在冲击防护和柔性电子等快速响应领域中的应用。随着这些挑战的逐步解决，融合分子尺度键工程和宏观性能调节的自我强化水凝胶有望在软物质科学中扮演革命性的角色，推动材料向“越用越强”迈进。

责任编辑

姜   帅   南开大学

温宇明   新加坡科技研究局