Nano Res.[制造]│西北工大黄河源、王文智/西安交大赵鑫：高强度水凝胶的制备策略、增强机制与未来挑战

背景介绍

水凝胶是一类具有优异亲水性三维网络的聚合物，可容纳大量水并保持这种膨胀状态而不溶解。然而，水凝胶的这种高含水量和膨胀特性通常导致其强度和韧性较低，阻碍了其在各个领域的推广。在过去的几十年里，学者们对高强度水凝胶进行了许多研究。这些研究主要集中在开发新型高强度水凝胶体系和提高其弹性、可压缩性、粘弹性和拉伸强度等力学性能。其中，大多数研究都取得了可喜的进展，新开发的高强度水凝胶具有优异的力学性能，在很大程度上克服了传统水凝胶的缺点，表现出较高的机械强度、抗拉能力、智能响应和出色的生物相容性，并为农业、能源和环境等领域的应用策略开辟了全新的途径。

目前，由于具有精确的网络结构和出色的力学性能，高强度水凝胶在许多学科中受到越来越多的关注。基于水凝胶的伤口敷料、组织工程、药物输送、电池、超级电容器和传感器都是前沿研究课题。例如，在过去十年中，我们目睹了对可穿戴/便携式电子产品等移动应用需求的快速增长，从而在开发用于许多先进应用的导电高强度水凝胶方面取得了重大进展。这些都对储能装置和传感装置提出了新的要求。此外，随着水凝胶的成功开发，具有优异的性能力学性能和多功能性，其应用范围逐渐扩大。

成果简介

本综述从原材料出发，进而介绍了包括用于设计和制备高强度水凝胶的交联方法和增强方法。我们首先讨论了天然材料和合成材料的优势以及不同原料制备的高强度水凝胶的特点。然后从物理交联、化学交联和动态化学交联三个方面阐述了物理相互作用或化学键对水凝胶强度的影响机理。此外，考虑到水凝胶网络框架和组件对高强度水凝胶强度和功能的重要意义和贡献，我们回顾了提高水凝胶机械强度的增强方法。最后，基于高强度水凝胶的发展现状，我们结合高强度水凝胶的应用需求和存在的不足，提出了其未来在不同领域，例如工业、医药、绿色发展等显示出的巨大的潜力。

图文导读

图1 原材料、交联方法和增强策略赋予高强度水凝胶出色可调的物理化学性质，使其应用得到广泛扩展

图2 高强度水凝胶应用

作者简介

第一作者：黄河源，西北工业大学航空学院副研究员，主要从事飞行器结构设计、复合材料结构设计与分析、新型仿生超材料设计与分析等相关研究工作。入选西北工业大学“翱翔新星”、陕西省科协青年托举人才，陕西省青年科技新星等人才支持计划。获陕西省高校科技成果奖（第一完成人）、陕西省科技进步二等奖（第二完成人）、中国复合材料学会优秀科技成果奖（第三完成人）。在Materials&Design，Composite part B，Journal of Colloid and Interface Science 等期刊发表高水平学术论文20余篇，申请发明专利17项，主持自然基金重点项目子课题、航空基金、博士后面上基金等多项研究课题。

董志城、任晓洋：西北工业大学航空学院2019级本科生，师从黄河源副研究员、王文智副教授。

通讯作者：

赵鑫，西安交通大学材料科学与工程学院副教授、主要从事生物医用高分子材料研究，如多功能可降解水凝胶、可降解导电高分子材料、可降解多孔聚合物支架的制备及药物控制释放体系的研究等，及其对软组织修复与再生研究，在Nature Communications、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Biomaterials、Chemistry of Materials、Small、Materials&Design、Chemical Engineering Journal、Acta Biomaterialia等国际著名期刊上发表SCI论文35篇，ESI高被引论文13篇，共被引用7500余次、H指数27。授权/申请发明专利7项，目前主持省部级科研项目8项，包括国家自然科学基金委面上项目1项、青年项目1项，陕西省自然科学基金青年项目1项，陕西省高校科协青年人才托举计划项目1项，中国博士后基金项目3项，及中央高校基本科研业务费1项。

王文智，西北工业大学航空学院副教授，从事复合材料力学、超材料设计与失效机理研究。主持国家自然基金、国防基础加强计划、科技部重点研发计划子课题等多项课题。获陕西省科技进步二等奖（第一完成人）、中国复合材料学会优秀科技成果二等奖（第二完成人）。相关工作发表在Composite Structures ，Composite part B，Materials&Design、复合材料学报等国内外期刊。

文章信息

Huang H, Dong Z, Ren X, et al. High-strength Hydrogels: Fabrication, Reinforcement Mechanisms and Applications. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5129-1.

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