浙大曲绍兴教授课题组 Sci. Adv.：基于强氢键的水凝胶网络增强策略

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水凝胶中的聚合物网络缺陷会影响其力学性能，并且在极端环境下缺陷带来的负面影响还会被放大。通过修复网络缺陷来改善水凝胶的力学性能有很大的潜力。人们为改善水凝胶的力学性能发展出了多种策略，而这些策略在提高水凝胶单一性能的同时往往带来有关问题，诸如复杂的合成过程、有限的力学增强或者缺乏通用性和生物相容性。

图一 类共价键网络增强策略

浙江大学杨卫院士领导的交叉力学中心曲绍兴教授课题组报道了一种简单但通用的水凝胶增强策略：通过利用海藻糖和聚合物链之间形成的类共价强氢键来充当网络增强剂。类共价键网络增强策略能够在不添加新网络的前提下为聚合物网络引入能量耗散机制，通过海藻糖与聚合物网络中的悬链和主链之间的强相互作用，大幅提高水凝胶的可拉伸性（4100%）和韧性（5116 J/m²）。同时，低温下海藻糖能够抑制冰晶的形成，并且具有高海藻糖含量的水凝胶在远低于水凝固点的温度下依然可以保持好的柔韧性。在干燥环境中，海藻糖能够有效降低水凝胶中水分的蒸发，甚至在极度失水的情况下，海藻糖能够替代水凝胶中水分子的位置，为水凝胶中的高分子网络提供支撑保护，防止由于水分蒸发导致的塌缩。该策略改善了单网络水凝胶体系中缺乏有效能量耗散的问题，并为合成具有超级拉伸性、强韧性和极端环境耐受性的水凝胶提供了一种新的通用方法。该工作以“A versatile hydrogel network-repairing strategy achieved by the covalent-like hydrogen bond interaction”为题发表在《Science Advances》上。文章第一作者是浙江大学博士生韩子龙，通讯作者是浙江大学王鹏博士、曲绍兴教授，浙江大学杨卫院士、贾铮长聘副教授和陆煜晨博士生是论文共同作者。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2 类共价键网络增强策略对水凝胶力学性能的提高

实验证明，对于聚丙烯酰胺单网络水凝胶来说，海藻糖的加入能够使其断裂强度、最大伸长率和断裂韧性从19 kPa、1150%和474 J/m²分别提高到81 kPa、4100%和5116 J/m²，并且大幅提高了水凝胶的断裂内聚长度。

图3添加海藻糖的水凝胶在远低于0 ℃的温度下依然可以保持高的可拉伸性和韧性。

低温下，海藻糖的添加能够抑制低温下冰晶的形成，并且高海藻糖含量的水凝胶在远低于水凝固点的温度下依然可以保持好的柔韧性。低温下的机械测试表明，由于海藻糖减少了冰晶的形成，与冻结的PAAm水凝胶相比，低温下冰浆状态的PAAm-T水凝胶具有更好的拉伸性和韧性。

图4海藻糖能够帮助水凝胶抵御干燥环境。

在干燥环境中海藻糖能够有效降低水凝胶中水分的蒸发，甚至在极度失水的情况下，海藻糖能够替代水凝胶中水分子的位置，为水凝胶中的高分子网络提供支撑保护，防止由于水分蒸发导致的塌缩。

图5海藻糖增强策略的通用性。

此外该策略还具有通用性，对以聚丙烯酰胺-海藻酸钠双网络水凝胶、物理交联的聚乙烯醇水凝胶以及缺陷可控的四臂-聚乙二醇水凝胶为代表的等诸多水凝胶有着显著的增强效果。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5066

通讯作者简介

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王鹏，2019年博士毕业于浙江大学，目前是博士后。主要研究方向为软材料与软组织力学、多尺度与微纳米力学、复合材料力学。发表SCI学术论文10余篇。曾获得中国博士后科学基金面上资助、中国博士后科学基金特别资助、国家自然科学基金青年科学基金项目。

曲绍兴，浙江大学求是特聘教授，教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者，任中国力学学会副理事长、教育部高等学校教学指导委员会力学类专业教指委委员、“软物质力学”高等学校学科创新引智基地负责人、浙江省软机器与柔性电子国际科技合作基地主任、浙江大学-中国空间技术研究院智能材料与柔性电子技术联合实验室主任，曾任浙江大学航空航天学院副院长、浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室主任。1992-1997年在中国科学技术大学攻读理论与应用力学学士学位，1997-2000年在清华大学攻读固体力学硕士学位，2000-2004年在美国伊利诺依大学香槟分校（UIUC）攻读机械工程博士学位，2004-2006年在美国布朗大学进行博士后研究，2006年9月份回国到浙江大学工作，2008年9月至2009年6月在美国哈佛大学访问研究。主要研究方向为智能软材料与软机器、智能微型机器人、多尺度与微纳米力学、复合材料力学。发表SCI学术论文180余篇；获国家发明专利11项。担任《Research》、《ASME Open Journal of Engineering》、《Proceedings of the Royal Society A》、《International Journal of Fracture》、《Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)》、《Mechanics of Soft Materials》、《固体力学学报英文版》、《力学进展》、《机器人》等期刊编委，曾任《ASME Journal of Applied Mechanics》副主编。

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