哈佛大學鎖志剛教授團隊聯合浙江大學、南洋理工大學的研究人員在《自然·通訊》發表重要研究成果，成功開發出一種基于超長聚合物鏈與物理交聯域的新型水凝膠。該材料首次實現了高模量（510 kPa）、高疲勞閾值（184 J/m2）與低滯后性（13%）的協同提升，突破了傳統聚合物材料性能相互制約的難題，為人工軟骨、柔性電子等領域的應用開辟了新方向。

研究背景：材料性能的“不可能三角”

傳統聚合物材料面臨固有矛盾：共價交聯網絡雖能提高模量，卻因鏈段短而犧牲抗疲勞性；物理交聯材料雖韌性高，但滯后性大且循環載荷下易失效。例如，天然橡膠滯后低但模量與抗疲勞性差；熱塑性聚氨酯模量高卻滯后顯著；聚乙烯醇水凝膠雖抗疲勞但滯后大。如何同時實現高模量、高抗疲勞與低滯后，成為材料科學領域的長期挑戰。

創新設計：超長鏈與物理交聯域的協同機制

研究團隊受生物大分子（如蛋白質、核酸）啟發，提出“超長共價鏈+物理交聯域”的創新架構（圖1）：

圖 1 |由物理鍵結構域交聯的異常長的共價鍵鏈組成的網絡。

超長聚合物鏈：聚乙二醇（PEG，分子量800萬）與聚丙烯酸（PAAc，分子量200萬）形成超長鏈，其均方根末端距遠超物理交聯域尺寸（30-60 nm），確保鏈段可滑動但不易脫出。

物理交聯域：PEG與PAAc通過氫鍵和疏水作用形成納米級交聯域，在低應力下類似“硬顆粒”維持高模量，高應力下鏈段滑動分散應力，避免能量耗散（圖2）。

圖 2 |由物理鍵結構域交聯的異常長聚合物的水凝膠。

剪切滯后效應：裂紋尖端的高張力通過鏈段滑動傳遞至長鏈，提升抗疲勞性，而低應力下鏈段滑移可逆，減少滯后（圖4）。

圖 3 |PEG 水凝膠和 PEG-PAAc 水凝膠。

圖 4 |PEG 水凝膠和 PEG-PAAc 水凝膠的抗疲勞性。

關鍵實驗結果

力學性能突破：PEG-PAAc水凝膠模量達510 kPa（為純PEG水凝膠的9倍），拉伸強度1.2 MPa，斷裂功4200 J/m2，滯后僅13%（圖3）。

抗疲勞性飛躍：疲勞閾值達184 J/m2，較純PEG水凝膠（6.5 J/m2）提升28倍，優于多數已報道材料（圖4）。

耐磨性提升：在砂紙循環摩擦測試中，重量損失率較傳統水凝膠降低10倍，展現人工軟骨應用潛力。

長鏈必要性：短鏈（PEG分子量40萬）水凝膠因鏈段易脫出，模量與強度顯著下降，驗證超長鏈設計的關鍵作用（圖5）。

圖 5 |異常長鏈的 PEG-PAAc 水凝膠優于短鏈的 PEG-PAAc 水凝膠。

應用潛力與擴展設計

復雜結構成型：材料可通過模塑、擠出、3D打印制備螺旋、折紙等復雜形狀，且溶脹后保持結構完整（圖2i）。

化學優化范例：將PAAc替換為聚甲基丙烯酸（PMAAc），利用甲基增強疏水作用，模量進一步提升至1.9 MPa，疲勞閾值達230 J/m2。

工業材料革新：該設計原則可拓展至多嵌段共聚物，解決傳統三嵌段材料因鏈段脫出導致的滯后與疲勞問題。

未來展望

文章指出，該水凝膠的物理交聯域可通過化學設計實現動態響應，未來或開發刺激響應型智能材料。此外，通過引入功能化單體或納米填料，可進一步優化導電性、生物相容性等特性，推動其在柔性電子、生物醫學等領域的應用。

來源：材料科學前沿