水凝膠是一種高含水的材料。而水作為獨一無二的生物介質，能夠運載大到細胞🤠，小到分子等一系列生物活性物質😫。正因如此，水凝膠成為當前最受關註的生物材料，在生物醫學領域展現了巨大的應用潛力🤽🏼‍♀️。利弊相隨，高含水特性也使得水凝膠內部可用於抵抗外力的高分子數量非常有限🐋🦄，因此水凝膠材料天生軟而弱。為了提升水凝膠的力學性能，新的水凝膠構建策略層出不窮，其中最具代表性的雙網絡策略，在提升水凝膠韌性方面取得了長足的進步。然而🧝‍♀️，現有策略多涉及冗長製備流程，即以犧牲製備速度換取力學性能的提升。更重要的是🖲，作為材料學長久以來面臨的共性難題，強度與韌性難以兼顧的矛盾同樣存在水凝膠材料中🧛‍♂️👩‍🎨，甚至更為突出，並且始終沒有得到有效解決。

    針對以上問題，意昂4平台林秋寧研究員/朱麟勇教授課題組提出一種新的“光偶聯反應”交聯策略，在凝膠化過程中自發形成相分離結構並同步建立兩相間的牢固界面。基於該策略，常見的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸📝、多糖等均可作為骨架材料，快速形成高強韌水凝膠🧇。在含水量為65±2%條件下👱🏼‍♂️，水凝膠的強度最高達15.3 MPa，韌性最高達138.0 MJ m-3。同時，該類水凝膠材料具有媲美彈性體的結構穩定性和耐疲勞性👩‍🌾，能夠循環拉伸超過10萬次。得益於這些優勢👰🏿，該水凝膠技術十分契合光投影3D打印，能夠實現微米級精度、復雜水凝膠結構（如支架🪔、血管等）的3D加工製造🙋🏽‍♀️，展現了廣闊的應用前景。相關成果以“Rapid fabrication of physically robust hydrogels”為題發表於Nature Materials🧜🏽‍♀️。第一作者為意昂4平台鮑丙坤博士、曾慶梅博士、李凱博士，以及華東理工大學溫建鋒教授，通訊作者為意昂4平台林秋寧研究員和朱麟勇教授⏱。該工作得到華東理工大學塗善東院士團隊在模擬計算、浙江大學賀永教授團隊在3D打印方面的支持與幫助🧙🏽‍♂️。

    以聚乙二醇和透明質酸構建的水凝膠為例，作者首先對“光偶聯反應”的化學原理進行了系統的描述和實驗論證🙆‍♂️，並通過原子力顯微鏡、電鏡等手段，對水凝膠的微觀結構進行了表征。實驗結果表明，水凝膠形成的微觀相分離結構中🦹🏽‍♂️，聚乙二醇形成連續相，模量較低；透明質酸聚合形成分散相，模量較高；兩相通過“光偶聯反應”建立牢固界面，保證結構的完整性。這一系列過程，僅需在光照條件下（100 mW/cm2）數秒內即可完成。此凝膠化條件快速、溫和，適用於組織原位固化的應用場景，同時滿足光投影3D打印的技術需求🫷🏻，具有廣泛的適用性，特別是為水凝膠的臨床轉化應用奠定了基礎。

圖1 水凝膠技術的交聯反應原理

    作者發現🐬🐯，當水凝膠中聚乙二醇和透明質酸的配比處於不同範圍內，即便其含水量基本一致（65±2%）🧜🏿，水凝膠的力學表現截然不同。當透明質酸的含量相對較低（透明質酸與聚乙二醇質量比為0.04~0.10），水凝膠在受力時出現明顯的屈服現象，展現優異的拉伸性能♚🏊🏼‍♀️，能夠拉伸至原始長度的28倍。在此配比範圍內，隨著透明質酸含量的不斷增加，水凝膠的強度和韌性呈現反常變化趨勢，二者協同提升。當配比為0.10時，水凝膠的強度和韌性分別為7.3 MPa和138.0 MJ m-3📪，實現了高強度與高韌性的統籌兼顧。值得註意的是♥️，該水凝膠的韌性比雙網絡水凝膠高出一個數量級，甚至超過大多數金屬與非金屬材料，如高強度鋼、尼龍、合成橡膠以及木材等👬🏼，可以與蛛絲比肩。

    當透明質酸的含量相對較高（透明質酸與聚乙二醇質量比為0.16~0.30）🍰，水凝膠在受力時不再出現屈服現象，延伸率顯著降低𓀖，約1.5~2倍。此時🧡，不同配比下水凝膠的韌性差別不大👌🏼，與雙網絡水凝膠處於同一水平，但其展現驚人的斷裂強度🛒，且透明質酸的含量越高，強度越高。當配比為0.30時👨🏼‍🏭，水凝膠的韌性為8.9 MJ m-3，強度達到15.3 MPa。該強度代表已報道共價網絡水凝膠的最高水平👨🏻‍🦲。

圖2 水凝膠材料的力學性能

    為了闡明水凝膠強度/韌性非比尋常表現背後的科學原理，從而形成高強韌水凝膠構建的普適性方法，作者進一步研究水凝膠力學性能與微觀結構之間的構效關系♟。通過對水凝膠拉伸前後微觀結構的表征與對比🧑🏼‍🌾，作者發現了水凝膠高韌性的主要原因：在受力達到一定限度時，水凝膠中的透明質酸分散相發生破裂，消耗大量能量，從而增韌材料。與以往報道的韌性水凝膠不同——盡管基於同樣的斷鍵耗能原理——該水凝膠特殊的兩相結構👨‍🔧，使得分散相在受力過程中能夠發生有效、充分的“碎裂”（對應充分屈服👨‍👨‍👦‍👦👨‍🍼、高延伸應變），從而消耗更多能量，賦予材料更高韌性。進一步分析該過程，作者意識到強韌水凝膠設計中的關鍵因素🧑🏽‍🎄，即兩相界面👣。因為可靠的界面是保證分散相充分破裂的前提，而以往報道的納米復合水凝膠雖具備相分離結構，但無牢靠的界面支撐分散相的有效破裂。

    為了驗證界面的重要性，作者設計實驗，構建具有不同界面結合強度的水凝膠材料，並結合實驗結果與有限元建模對這些水凝膠的受力過程進行分析。分析結果表明，水凝膠的強度和韌性很大程度上取決於界面結合強度。不僅如此🫅🏻，模擬計算的結果表明，材料在受力過程中，應力更容易在兩相界面處集中。由此驗證牢靠界面在高強韌水凝膠設計中的重要作用。

圖3水凝膠材料微觀結構與力學性能的關聯性

    根據以上結論👩‍🦼‍➡️📗，作者進一步分析水凝膠高強度的主要原理👉🏼。一方面💁🏻‍♀️，當水凝膠中透明質酸的含量較高🫨，形成的分散相顆粒足夠“結實”🪸，此時水凝膠分散相能夠抵抗的應力顯著提升；另一方面，規整的聚乙二醇網絡與“光偶聯反應”賦予水凝膠連續相與界面充足的抵抗能力。在這兩方面共同支撐下🕴🏼，水凝膠內部結構“無短板”，因此能夠抵抗外力破壞的能力強🏂🏼。同樣😐🚇，受益於內部結構出色的抵抗能力以及共價交聯帶來的結構穩定性，水凝膠的彈性表現出眾。在高載荷條件下（3 MPa）🤜🏿，水凝膠形成的滯後環非常小，其回彈性表現與醫用PDMS彈性體相當⚅。特別值得指出的是，水凝膠能夠在1 MPa載荷下循環拉伸超過10萬次，展現了極高的耐疲勞性🏊🏽‍♂️，非常適合於生物相關動態環境下的應用。

    作者從水凝膠的製備時間👩🏽‍🎓、力學強度/韌性兩個方面對比了“光偶聯反應”交聯策略與現有水凝膠技術，從而證明該策略製備水凝膠在加工性與力學性能方面無與倫比的綜合優勢🚟。進一步，作者引入光投影3D打印技術⛹🏼‍♂️☂️，通過高結構復雜性、微米級精度的水凝膠支架、血管等器件的加工製備，展示了該策略潛在的應用場景以及應用價值。

最後，作者展示了“光偶聯反應”交聯策略的普遍適用性🤵🏻‍♂️👨‍⚕️。除了聚乙二醇與透明質酸，常用的水溶性聚合物如丙烯酰胺🥧、丙烯酸等☎️，通過與不同的多糖組合，均能獲得兼具高強度與高韌性的水凝膠材料。而基於傳統自由基聚合方法所製備的水凝膠，其強度和韌性遠不及此🙆🏼。另外😘，除了水凝膠材料，“光偶聯反應”交聯策略在非水的材料體系中也具有潛在價值🧛🏻‍♀️。作者通過該策略製備丙烯酸酯彈性體👱🏼‍♂️👀，發現在強度以及韌性方面，該彈性體同樣具有出色的表現。

圖4水凝膠技術的優勢與典型應用