在材料科学领域，开发兼具高强度、耐磨性和自愈能力的新型材料一直是研究的热点和难点。传统水凝胶虽然具有良好的生物相容性和可调节的机械性能，但在实际应用中往往面临强度不足、耐磨性差和自愈能力有限等问题。为了突破这些限制，研究人员开始从自然界中寻找灵感，尤其是模仿天然软骨的独特结构和功能。天然软骨是一种具有高强度、低摩擦系数和优异耐磨性的生物材料，其内部结构类似于混凝土，由胶原纤维（类似钢筋）和糖蛋白基质（类似水泥）组成，能够有效分散应力并承受高负荷。
受此启发，研究人员开发了一种新型的PVA/PEG（聚乙烯醇/聚乙二醇）水凝胶，通过模拟软骨的“钢筋水泥”结构，实现了多尺度应力分散和显著提升的机械性能。
吉林大学马志超、任露泉院士
等人
在PVA/PEG水凝胶的设计中，PVA/PEG纤维网络充当“钢筋”，提供高强度和韧性；而部分未溶解的PVA颗粒则作为“水泥”，填充在纤维网络之间，进一步增强材料的整体强度和耐磨性。
这种独特的结构设计不仅赋予了水凝胶高强度（模量达50 MPa）和高拉伸强度（高达4.2 MPa），还使其在抗冲击、抗疲劳和自愈能力方面表现出色。此外，该水凝胶还展现出高灵敏度、高线性和快速响应的传感性能，能够实时监测外部压力变化，为智能防护装备和软体机器人领域提供了新的高性能材料解决方案。
1.主要内容
图1 材料设计与潜在应用
该水凝胶通过模拟软骨的混凝土结构，利用PVA/PEG纤维网络作为“钢筋”，部分未溶解的PVA颗粒作为“水泥”，实现了多尺度应力分散。
这种设计不仅提高了水凝胶的机械性能，还使其在智能防护装备中展现出优异的传感性能，如高灵敏度、高线性和快速响应时间。此外，图中还展示了水凝胶在润滑、负载承载和能量耗散方面的应用潜力，为开发高性能防护和传感设备提供了新的思路。
图2 BPP水凝胶的机械性能
通过与天然软骨和其他PVA/PEG水凝胶的对比，BPP水凝胶在拉伸强度（10.5 MPa）、压缩强度（29.5 MPa）和硬度方面表现出色，接近天然软骨的性能。此外，BPP水凝胶在循环疲劳测试中表现出显著的耐久性，即使在100万次压缩循环后，其性能仍保持稳定。这些结果表明，
BPP水凝胶不仅具备高强度和韧性，还具有优异的耐久性和稳定性
，适合用于需要高机械性能的应用场景。
图3 BPP水凝胶的微观结构与增强机制
实验结果表明，PVA颗粒和PVA/PEG纤维网络在水凝胶中形成了类似混凝土的结构，显著提高了材料的密度和强度。在拉伸过程中，
PVA/PEG纤维的桥接和PVA颗粒的裂纹阻挡作用共同促进了材料的增韧机制
。此外，原位X射线散射实验进一步证实了水凝胶在拉伸过程中结晶度的增加，这为材料的高强度和韧性提供了微观结构基础。
图4 BPP水凝胶的抗冲击性能与摩擦学测试
通过Split Hopkinson压力杆（SHPB）和
摆锤冲击
测试，BPP水凝胶展现出优异的抗冲击能力，能够有效吸收和耗散能量，甚至优于天然软骨。此外，BPP水凝胶在摩擦学测试中表现出低摩擦系数（COF）和良好的耐磨性，尤其是在模拟生理环境的条件下。这些结果表明，
BPP水凝胶不仅在抗冲击性能上表现出色，还在润滑和耐磨性方面具有显著优势
，适合用于需要高耐磨性和低摩擦的应用场景。
图5 BPP水凝胶的性能总结与智能防护应用
BPP水凝胶在机械性能、成本效益和多功能性方面表现出色，尤其是在抗冲击、润滑和传感性能方面。
通过将BPP水凝胶封装为压力传感器，实验结果表明其具有高灵敏度、高线性和快速响应时间，能够实时监测外部压力变化
。此外，基于BPP水凝胶的智能防护系统能够实现无线数据传输和自动警报功能，为高风险作业人员提供了实时的安全监测和保护。
2.全文总结
本文通过模仿天然软骨的结构，开发了一种聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇（PEG）水凝胶（BPP），展现出高强度、低摩擦系数和优异的耐磨性。实验表明，BPP水凝胶在机械性能、抗冲击能力和润滑性能方面接近甚至超越天然软骨，同时具备高灵敏度和快速响应的传感性能，适用于智能防护装备。未来研究将聚焦于提升其生物相容性、多功能性、规模化生产能力和长期稳定性，并推动其临床转化和商业化应用。
参考资料：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57653-5
来源：
EngineeringForLife
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