引言：

仿生軟材料在組織工程與人工器官領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力，但如何突破傳統(tǒng)材料強(qiáng)度-韌性-各向異性難以協(xié)同提升的瓶頸，仍是制約其發(fā)展的核心難題。受肌肉、肌腱等天然承重組織啟發(fā)，西安交通大學(xué)鄭庸教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工程化設(shè)計(jì)策略，成功開發(fā)兼具高韌性與顯著各向異性的條紋圖案化水凝膠復(fù)合材料。

研究背景：

傳統(tǒng)水凝膠體系（如雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、滑環(huán)水凝膠等）雖通過分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)顯著提升力學(xué)性能，但受限于均質(zhì)化結(jié)構(gòu)特征，難以模擬天然組織的各向異性響應(yīng)?，F(xiàn)有3D打印、光刻技術(shù)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)化水凝膠多聚焦于形態(tài)調(diào)控，在實(shí)現(xiàn)承重組織級(jí)力學(xué)性能方面仍存在顯著差距。

目前痛點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)仿生局限：宏觀均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)難以復(fù)現(xiàn)生物組織的多級(jí)有序結(jié)構(gòu)

（2）界面結(jié)合難題：異質(zhì)相間界面缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中與性能衰減

（3）性能協(xié)同困境：各向異性設(shè)計(jì)與高韌性需求存在本質(zhì)沖突

（4）制備技術(shù)瓶頸：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑與界面調(diào)控缺乏有效手段

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

研究團(tuán)隊(duì)提出"拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聚合物網(wǎng)絡(luò)（TPN）"新概念，通過三步順序聚合法與光刻技術(shù)集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)三大核心突破：

? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革新

? 構(gòu)建宏觀兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)：軟相基體（低交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）與硬相條紋（高交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）交替排列

? 創(chuàng)新拓?fù)淅p結(jié)機(jī)制：通過聚合物網(wǎng)絡(luò)互穿實(shí)現(xiàn)無缺陷相界面，界面粘附強(qiáng)度提升300%

? 性能跨越式提升

? 強(qiáng)韌協(xié)同：裂紋擴(kuò)展阻力較傳統(tǒng)水凝膠提高5倍

? 可控各向異性：拉伸模量各向異性比達(dá)4.7:1，壓縮強(qiáng)度方向差異超3倍

? 動(dòng)態(tài)適應(yīng)性：軟硬相協(xié)同變形實(shí)現(xiàn)能量耗散效率最大化

? 技術(shù)體系創(chuàng)新

開發(fā)光刻輔助順序聚合技術(shù)，突破微米級(jí)特征結(jié)構(gòu)（50-200 μm）精準(zhǔn)構(gòu)筑難題。建立"結(jié)構(gòu)參數(shù)-力學(xué)響應(yīng)"定量模型，實(shí)現(xiàn)各向異性程度的可編程調(diào)控。

該工作以Topoarchitected Polymer Network Hydrogels with High Toughness and Anisotropic Properties”為題發(fā)表在Macromolecules上。西安交通大學(xué)鄭庸教授、胡建教授為本文通訊作者，Xiao Liu 為本文第一作者。

圖1：材料合成思路

圖2：材料表征

圖3：材料力學(xué)性能

圖4：材料力學(xué)性能

圖5：材料力學(xué)性能

Doi: 10.1021/acs.macromol.5c00043

來源：高分子網(wǎng)絡(luò)