研究背景
智能水凝胶在仿生材料和软体机器人等领域具有广泛应用的潜力。生物体的软组织（如人类皮肤和软无脊椎动物）具备复杂的机械性能，包括机械强度、伸展性、形状变换等，这些特性源于细胞单元的精细排列及相互作用。尽管水凝胶因其优良的生物相容性和高水含量在仿生领域中展现出巨大的潜力，然而，制备具有生物体软组织特性的水凝胶仍然面临重大挑战。
研究内容
基于此，段镶锋和黄昱教授联手开发了一种智能水凝胶，该水凝胶具备类似生物体软组织的机械性能以及热响应形变。该项成果以“Tailoring smart hydrogels through manipulation of heterogeneous subdomains”为题，发表在国际顶级期刊Nature Communication上。
与传统方法不同，该研究通过操控软水凝胶内部子域单元的构建、集成和相互作用，使得水凝胶局部和整体行为的性能调控成为可能。此外，文章还采用了前沿的原位成像技术，数字图像相关技术和快速傅里叶变换等方法进行全场应变测量和模式分析，深入研究了水凝胶材料的性能。
图文导读
图1 具备细胞模式域软水凝胶薄膜的制备及表征
图1 通过多个方面展示了智能水凝胶的设计与制备过程。首先，图中将生物体软组织（如软无脊椎动物）中的细胞结构与硬质晶体材料（如钛合金）中的晶粒域进行对比，强调了细胞单元在材料性能中的关键作用，反映了对自然生物系统的深刻理解。其次，图中详细介绍了利用投影灰度光刻技术制备水凝胶薄膜的过程。通过时空控制，研究者能够打印出具有刚性细胞模式的域，这些域在施加机械力时会诱导应变驱动的异质化子域，从而在软水凝胶薄膜中形成复杂的机械响应。这一制造过程不仅为水凝胶的设计提供了新思路，也展示了该方法设计高精度材料的潜力。
图2 机械性能测试及其内部作用机制研究
图2展示了不同细胞模式域（如HC-50和HC-90）与均匀薄膜的应力-应变曲线的比较，强调这些模式如何显著提高材料的极限强度、弹性模量和材料韧性。通过数字图像相关技术，全场应变映射揭示了在拉伸测试中不同水凝胶薄膜的应变分布，显示出细胞模式域内的应变集中区域和局部机械响应的差异。此外，局部应变分析展示了不同位置（如子域A和B）的应变变化，进一步说明了各子域在拉伸过程中表现出的机械特性差异。结合有限元分析（FEA）结果，验证了实验观察到的应变分布与局部机械行为之间的一致性，强调了应变工程子域在水凝胶材料中的重要性。
图3 不同水凝胶材料的机械性能表征
图 3 主要展示了不同水凝胶材料的机械特性表征。图中展示了将不同细胞模式（如HC-160-L 和 HC-50）整合到水凝胶薄膜中形成的多相结构，并通过全场应变映射突出了不同相在拉伸过程中应变分布的差异，显示了各相在机械负载下的不同响应。此外，图中提供了不同水凝胶样本的应力-应变曲线，比较了多相复合水凝胶与单相水凝胶的机械性能，强调了多相结构如何增强整体的弹性模量和耐久性。利用数字图像相关技术，详细展示了不同拉伸方向下各相的应变分布特征，揭示了相互作用和负载转移机制。同时，图中分析了不同相的界面区域的机械行为，展示了界面处的应变集中现象及其对整体材料性能的影响。这一系列分析全面阐述了多相水凝胶设计对提高材料性能的重要性。
图4 通过同时编码梯度和‘多相’异质性共同设计形状变换和机械性能
图 4 主要展示了水凝胶机械性能的研究。图中阐明了水凝胶的弹性模量与收缩比之间的关系，强调了通过调整细胞模式尺寸实现机械性能的调节。同时，图中展示了如何通过改变细胞模式的固化时间来形成收缩梯度，使水凝胶在整体上表现出不同的形状变换，突出局部固化时间对整体形状的影响。此外，还展示了将二维水凝胶薄膜设计为非欧几里得形状的过程，利用收缩梯度实现从二维到三维的形状转换，体现了细胞模式组合和固化时间调整在形状控制中的作用。最后，图中包括了对代表性三维帽状结构的压缩测试结果，显示不同设计的帽子在轴向加载下的性能，强调多相集成在增强材料强度方面的效果。总体而言，图 4 全面阐述了如何通过共同设计来调节水凝胶的性能和形状，为智能材料的应用提供了新的思路。
总结展望
本研究探讨了智能水凝胶的设计与应用，通过开发具有类细胞域的合成水凝胶，实现了对水凝胶材料机械性能和热响应变形的控制。研究采用动态光投影灰度光刻技术，结合时空控制的光聚合过程，成功打印出不同细胞模式域，形成应变驱动的异质化子域，从而在水凝胶中实现复杂的机械响应。
通过全场应变映射、应力-应变曲线和有限元分析，深入研究了应变工程子域对局部与整体机械行为的影响，并强调了多相结构在提高水凝胶性能方面的重要性。智能水凝胶的研究有望在可穿戴设备、组织工程和仿生材料等领域得到进一步拓展。结合先进制造技术和精细材料设计，可开发出功能更复杂的水凝胶系统，以满足不同应用需求。
此外，利用人工智能和机器学习技术可以加速新材料的设计和优化过程。深入理解水凝胶的微观结构与宏观性能之间的关系，将为材料科学的发展提供重要的理论基础，推动智能水凝胶在实际应用中的创新与发展。
文献信息
Tailoring smart hydrogels through manipulation of heterogeneous subdomains Nature Communications返回搜狐，查看更多
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