推动软材料科学的发展，需要解决水凝胶在强度、韧性和疲劳性能上的瓶颈问题。通过借鉴自然界多尺度结构的智慧，提出系统化的仿生多尺度调控策略，不仅能够提升水凝胶性能，更希望为材料科学的学科交叉融合与应用拓展提供全新思路，助力中国在先进材料领域的中心引领地位。
导读
自然界中，心脏瓣膜、肌肉等生物组织展现了惊人的强度、韧性和耐久性，这源于其独特的多尺度结构设计。本文借鉴这些仿生智慧，探索多尺度调控策略如何提升合成水凝胶的力学性能，为解决软材料在复杂环境中的应用瓶颈提供了全新思路。
图1 仿生多尺度调控赋予水凝胶前所未有力学性能
自然界中的软组织，如心脏瓣膜、肌肉和软骨，能够在复杂的环境中展现出优异的强度、韧性和耐久性，其核心奥秘在于独特的多尺度结构设计。这些组织通过纳米级到宏观级的结构层次协同作用，实现了力学性能的最优化。水凝胶作为一种高水分含量的三维立体网络结构材料，在生物医学、柔性电子、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。然而，传统水凝胶因其单一聚合物网络的限制，往往表现出强度不足、韧性较差及易疲劳等缺陷，大大制约了其实际应用。为应对这一挑战，学术界已从自然界的多尺度结构中汲取灵感，提出了多种的仿生多尺度调控策略，为水凝胶的力学性能带来了革命性突破。
在纳米尺度，水凝胶性能的提升依赖于分子链的精细设计。通过优化交联密度、引入纳米晶体结构以及调节物理缠结，研究者们成功提升了材料的强度与韧性。例如，通过溶剂交换结合干燥退火技术，聚乙烯醇水凝胶被制备出更大的晶体域，同时保持了结构均匀性。该方法使水凝胶的断裂强度达到34.15 MPa，韧性高达95.21 MJ/m³，展现出远超传统水凝胶材料的物理力学性能。在介观尺度，研究者们采用复合结构设计，通过引入微纳米纤维或颗粒增强材料的力学性能。例如，加入纤维素纳米纤维可显著提升水凝胶的抗拉伸性和疲劳耐受性。在实验中，经过拉伸定向的纤维素纳米纤维网络，使水凝胶的拉伸性达到7400%，并实现高达420 MPa的拉伸强度。这种结构还可显著分散应力，从而大幅提高水凝胶的疲劳极限。在宏观尺度，研究者们引入了纤维、层状和块状等结构设计，以实现力学性能的精确调控。纤维增强结构，尤其是定向排列或编织的纤维网络，可显著提升水凝胶的拉伸强度与韧性；层状结构模仿珍珠母的堆叠设计，有助于提高材料的抗冲击能力和断裂韧性；块状结构则通过高含水量和多重网络协同作用，为水凝胶带来超低摩擦与高耐久性。
纳米、介观与宏观结构的协同作用，使水凝胶的强度、韧性和疲劳耐受性得到了全面提升。这种多尺度调控策略，不仅解决了传统水凝胶力学性能的瓶颈问题，还为开发适应复杂环境的高性能软材料提供了新的技术路径。仿生多尺度调控策略为水凝胶材料的设计提供了全新思路，使其在强度、韧性和耐久性方面取得了显著提升。这不仅是材料科学领域的一项重要突破，也为推动高性能软材料在多领域的应用奠定了坚实科学基础。
总结与展望
通过仿生多尺度调控策略，水凝胶在强度、韧性和疲劳耐受性等性能上实现了全面提升，为高性能软材料的设计提供了全新视角。这种从纳米到宏观尺度的协同设计不仅突破了传统水凝胶的力学性能瓶颈，还为材料在复杂环境中的应用提供了更强的适应性。展望未来，人工智能技术的融入将进一步推动水凝胶设计的优化与应用，通过机器学习和深度学习算法，高效预测和调控材料性能成为可能。此外，这一研究方向将为柔性电子、生物医学和智能材料等领域提供更广阔的应用前景，为解决人类面临的能源、环境与健康问题贡献智慧。仿生多尺度调控无疑将成为引领水凝胶发展的重要方向。
责任编辑
葛省波 南京林业大学
杨银贤 厦门大学
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第4期发表的 EDITORIAL 文章“Bioinspired multiscale regulation for hydrogels with superior mechanics” (投稿: 2024-10-28；接收: 2024-11-26；在线刊出: 2024-11-27)。
DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100105
引用格式：Feng Y., Wang Y., Chen C., et al. (2024). Bioinspired multiscale regulation for hydrogels with superior mechanics. The Innovation Materials 2: 100105.
作者简介
刘 吉 南方科技大学副教授、博士生导师，主要研究方向包括仿生材料构筑、软材料力学、3D打印、可植入生物电子等。 在Sci. Adv., Nat. Com., PNAS, Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Funct. Mater.等高水平期刊上发表70余篇，引用7500余次， h-index为45。
课题组网站：https://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/
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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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