引言：

仿生軟材料在組織工程與人工器官領域具有重大應用潛力，但如何突破傳統材料強度-韌性-各向異性難以協同提升的瓶頸，仍是制約其發展的核心難題。受肌肉、肌腱等天然承重組織啟發，西安交通大學鄭庸教授團隊創新提出拓撲結構工程化設計策略，成功開發兼具高韌性與顯著各向異性的條紋圖案化水凝膠復合材料。

研究背景：

傳統水凝膠體系（如雙網絡水凝膠、滑環水凝膠等）雖通過分子網絡設計顯著提升力學性能，但受限于均質化結構特征，難以模擬天然組織的各向異性響應。現有3D打印、光刻技術構建的結構化水凝膠多聚焦于形態調控，在實現承重組織級力學性能方面仍存在顯著差距。

目前痛點：

（1）結構仿生局限：宏觀均質網絡難以復現生物組織的多級有序結構

（2）界面結合難題：異質相間界面缺陷導致應力集中與性能衰減

（3）性能協同困境：各向異性設計與高韌性需求存在本質沖突

（4）制備技術瓶頸：復雜結構的精準構筑與界面調控缺乏有效手段

本文創新點：

研究團隊提出"拓撲結構聚合物網絡（TPN）"新概念，通過三步順序聚合法與光刻技術集成創新，實現三大核心突破：

? 結構設計革新

? 構建宏觀兩相復合結構：軟相基體（低交聯網絡）與硬相條紋（高交聯網絡）交替排列

? 創新拓撲纏結機制：通過聚合物網絡互穿實現無缺陷相界面，界面粘附強度提升300%

? 性能跨越式提升

? 強韌協同：裂紋擴展阻力較傳統水凝膠提高5倍

? 可控各向異性：拉伸模量各向異性比達4.7:1，壓縮強度方向差異超3倍

? 動態適應性：軟硬相協同變形實現能量耗散效率最大化

? 技術體系創新

開發光刻輔助順序聚合技術，突破微米級特征結構（50-200 μm）精準構筑難題。建立"結構參數-力學響應"定量模型，實現各向異性程度的可編程調控。

該工作以Topoarchitected Polymer Network Hydrogels with High Toughness and Anisotropic Properties”為題發表在Macromolecules上。西安交通大學鄭庸教授、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：材料力學性能

圖4：材料力學性能

圖5：材料力學性能

Doi: 10.1021/acs.macromol.5c00043

來源：高分子網絡