{首页主词},&

IF=83.5 ！龔劍萍教授最新《Nat. Rev. Mater.》綜述：?強韌水凝膠設計策略

2024-05-13 14:41:35 作者：材料基來源：材料基分享至：

自2000年以來，科研人員通過引入結構創新和能量耗散機制，比如雙網絡水凝膠和多級結構水凝膠，顯著提升了水凝膠的機械性能。這些高性能水凝膠展現了優異的斷裂能量和抗疲勞性能，使得其在高負荷環境下的應用成為可能。目前，經過約二十年的研發，水凝膠的斷裂能量和疲勞閾值已達到新的高度，使其在人工軟骨等應用中具有極高的潛力。此外，研究人員還在探索如何利用生物系統的策略，開發自愈合和各向異性的水凝膠，以適應復雜的使用環境。

龔劍萍教授（左）和李薛宇助理教授（右）

鑒于水凝膠溶脹和溶脹特性的重要性，以及水凝膠在液體介質中處于溶脹平衡狀態的實際需求，北海道大學龔劍萍教授和李薛宇助理教授發表綜述文章，全面概述了韌性水凝膠的設計原則。還提出了獲得適應周圍機械環境的自生長和增強水凝膠策略。本文從溶脹（swelling）和脫水（deswelling）的角度探討了實現高機械性能的設計策略。作者首先使用基本的水凝膠模型來闡明分子結構和溶脹或脫水對機械性能的影響，包括彈性模量、延展性、強度、韌性和抗疲勞性。然后，作者討論了獲得堅韌水凝膠的主要設計策略，以及開發抗疲勞水凝膠和了解其潛在機制的進展。作者重點介紹了最近開發的具有組織樣自生長特性的自增強水凝膠的策略。最后，作者強調了發展非彈性斷裂力學理論的挑戰和趨勢，以捕捉大變形行為和下一代堅韌水凝膠的實際生物應用。相關成果以“Design principles for strong and tough hydrogels”為題發表在《Nature Reviews Materials》上，李薛宇助理教授一作兼通訊。

圖1：水凝膠溶脹、脫水和斷裂行為力學模型

圖2：溶脹（彈性）水凝膠模型

圖 3：脫水（粘彈性）水凝膠和具有高階結構的水凝膠

圖4：通過各種策略制備的水凝膠的斷裂能和疲勞閾值與彈性模量和強度的關系

圖5：水凝膠抗疲勞性測量及機理

圖 6：機械化學強化和自生長水凝膠策略

圖 7：力誘導 DN 水凝膠的自生長和強化

作者簡介

龔劍萍，北海道大學教授(Distinguished professor),于浙江大學獲學士學位，于日本茨城大學獲碩士學位，在東京工業大學獲得工學博士學位，而后在北海道大學獲得理學博士學位。龔劍萍教授自2003年開發出雙網絡(DN)水凝膠并闡明其增強增韌機理及2019年發現DN凝膠自生長現象后，“又“犧牲鍵”及“自生長”等理論就被廣泛應用于開發網絡”高韌性高分子材料。而龔劍萍教授課題組更是將其延伸到軟物質研究的各個細分領域。已發表論文及著作600余篇，被引用超過40000次，h因子97。