自然界絕大數(shù)材料如竹子、骨骼、貝殼等，經(jīng)過長期的自然進(jìn)化，具有高度優(yōu)化的力學(xué)性能和功能。這些材料通常由纖維、網(wǎng)絡(luò)或板狀結(jié)構(gòu)嵌入在非均質(zhì)的增韌基體中，并以多層級結(jié)構(gòu)排列，以優(yōu)化力學(xué)性能。受這些天然復(fù)合材料的啟發(fā)，合成已成為增強(qiáng)各種材料的經(jīng)典材料設(shè)計(jì)方法。纖維素因其天然來源、生物相容性和高機(jī)械性能而作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料引起了廣泛關(guān)注，然而，從天然來源提取纖維素的傳統(tǒng)自上而下的過程通常涉及復(fù)雜的機(jī)械和化學(xué)處理，這很容易損壞納米纖維的界面，尤其在水凝膠這種與天然纖維素差別較大的軟體材料中更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

因此，新加坡國立大學(xué)翟偉教授團(tuán)隊(duì)受到竹子組成單元的啟發(fā)開發(fā)了一種自下而上的納米纖維組裝策略，用竹子啟發(fā)的基本組成單元構(gòu)建強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合水凝膠。這種納米纖維用超聲波輔助分子組裝工藝，從殼聚糖和海藻酸鈉等成分中制備多糖基納米纖維，所得的納米纖維晶體結(jié)構(gòu)較少，具有相容模量和高強(qiáng)度，將其與TA和PVA結(jié)合，形成具有強(qiáng)分子相互作用的基本組成單元。后續(xù)制得竹制復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械性能，包括高達(dá)60.2 MPa的高抗拉強(qiáng)度。此外，由于復(fù)合水凝膠基本組成單元中排列結(jié)構(gòu)和分子相互作用的協(xié)同效應(yīng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)48.0 MPa的高強(qiáng)度和470%的極限應(yīng)變。該工作以“Bamboo-inspired ultra-strong nanofiber-reinforced composite hydrogels“為題，發(fā)表在2025年的《Nature Communications》上。

【制備工藝】

1.殼聚糖-海藻酸鈉納米纖維的制備：通過將1.0g CS溶解在49g乙酸溶液中制備2%wtCS溶液。通過將1.0g SA溶解在49g去離子水中制備2wt%SA溶液。將50g CS溶液和50g SA溶液以1:1的比例混合。然后使用超聲均化器將混合物超聲處理2小時(shí)，以獲得殼聚糖-藻酸鈉納米纖維（CSNF）懸浮液。

2.CSNF-TA-PVA復(fù)合水凝膠的制備：通過將10g PVA溶解在90g去離子水中制備10wt%PVA溶液。CSNF-PVA混合物是通過將CSNF懸浮液和PVA溶液以1:10的質(zhì)量比混合在一起而獲得的。然后，將混合物脫氣并澆鑄在培養(yǎng)皿（直徑：90mm）中，并在空氣中干燥，以獲得CSNF-PVA復(fù)合材料。CSNF-TA-PVA水凝膠是通過將干燥的CSNF-PVA復(fù)合材料在30wt%TA溶液中再溶脹兩天而獲得的。為了進(jìn)行比較，純PVA和CSNF-PVA水凝膠是通過浸漬干燥的PVA和CSNF-PVA復(fù)合材料在去離子水中浸泡2天。通過將干燥的PVA浸入TA溶液（30wt%）中2天來獲得PVA-TA水凝膠。

3.定向CSNF-TA-PVA復(fù)合水凝膠的制備：將PVA-TA-CSNF水凝膠拉伸至100%應(yīng)變，并在空氣干燥時(shí)保持。完全干燥后，將復(fù)合物固定并在硫酸鈉溶液（20~30重量%）中重新膨脹。所有樣品的溶脹比由溶脹體積比Qv=V溶脹/V0確定，其中V溶脹和V0分別表示水凝膠在溶液中浸泡后的平衡體積和干燥狀態(tài)下的初始體積。

【文章亮點(diǎn)】

1.創(chuàng)新的仿竹子策略：竹子的層次纖維結(jié)構(gòu)使其兼具高強(qiáng)度和高韌性，文章模仿竹子的纖維素、木質(zhì)素和半纖維素的基本組成單元，設(shè)計(jì)出自組裝的殼聚糖-海藻酸鈉納米纖維（CSNFs）、單寧酸（TA）和聚乙烯醇（PVA）構(gòu)成的復(fù)合水凝膠。其中，CSNFs 類似于竹子中的纖維素微纖維，提供強(qiáng)度，TA 作為木質(zhì)素類似物，填充于纖維之間并提供剛度和抗變形能力，PVA 則類似于半纖維素，作為粘結(jié)基質(zhì)增強(qiáng)柔韌性。

2.自下而上的組裝策略：通過超聲輔助分子組裝過程，制備出具有合適模量和高強(qiáng)度的 CSNFs，避免了傳統(tǒng)方法中因機(jī)械和化學(xué)處理導(dǎo)致的纖維界面損傷問題，使納米纖維具有無缺陷的微觀結(jié)構(gòu)和功能界面，能更好地與其他分子相互作用形成基體和界面。

3.優(yōu)秀的力學(xué)性能：所制備的復(fù)合水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá) 60.2 MPa，同時(shí)具備 48.0 MPa 的高強(qiáng)度和 470% 的最大應(yīng)變。相比純 PVA 水凝膠，其強(qiáng)度和韌性均有顯著提升，克服了一般復(fù)合水凝膠難以同時(shí)兼顧高強(qiáng)度和高韌性的難題，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與韌性的協(xié)同增強(qiáng)。

圖1：以竹子為靈感的水凝膠的合理設(shè)計(jì)說明（成分、相互作用和結(jié)構(gòu)）

圖2：竹制水凝膠的力學(xué)性能和基本組分之間的分子相互作用

圖3：納米晶結(jié)構(gòu)的演變

圖4：竹質(zhì)水凝膠的形態(tài)和力學(xué)性能

圖5：竹子啟發(fā)的堅(jiān)韌水凝膠原理

圖6：竹質(zhì)水凝膠的沖擊性能

參考文獻(xiàn)：

Bamboo-inspired ultra-strong nanofiber-reinforced composite hydrogels, H. Zhuo, X. Dong, Q. Liu, L. Hong, Z. Zhang, S. Long, W. Zhai, Nature Communications 16 (2025) 980.

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56340-9