吉大NC：受软骨启发的坚韧混凝土状水凝胶，具有高机械强度和润滑性

设计具有显著机械性能（包括强度、模量、韧性、润滑性和抗疲劳性）的合成水凝胶最有前途的方法之一是通过仿生结构设计。最直接的例子是天然软骨材料，由软骨细胞、致密的 II 型胶原蛋白与糖蛋白基质交织在一起组成。它可减少重复运动过程中关节表面之间的摩擦，具有润滑和耐磨性能，还可缓冲冲击和吸收冲击，通过模拟天然软骨，可以开发出仿生水凝胶材料。

目前，一些关于水凝胶材料开发的研究通过使用软骨作为仿生模型，在力学性能上取得了重大突破。这些研究发展了更复杂的制备工艺和更精细的材料体系，显著提高了强度和模量等力学性能。为了将类似 AC 的功能应用到防护和传感设备上，这些材料在应用到刚性防护设备和柔软的人体皮肤之间时能够像 AC 一样发挥作用：传统防护设备的外层防止损坏，而水凝胶的内层耗散能量并保护皮肤免受伤害。因此，对水凝胶的力学性能要求不能一味只注重强度，而应与软骨相似，能承受一定的负荷而不致损坏，并具有缓冲和吸收压力的功能。 PVA 和 PEG 是合适的理想材料，但已报道的 PVA/PEG 水凝胶材料在交变载荷和循环摩擦条件下缺乏足够的机械强度和耐久性，不适合用作承重部件。鉴于高刚度和高韧性通常是互相排斥的特性，使用目前可用的直接技术方法以低成本设计和制造超强超韧水凝胶以满足实际应用的机械性能要求仍然具有挑战性。

吉林大学马志超教授团队 受到天然 AC 混凝土结构的启发，成功制备了具有显著机械强度和有效润滑性的生物启发的 PVA/PEG （ BPP ）水凝胶。设计了一种创新的仿生 “ 混凝土 ” 结构，由 PVA/PEG 纤维网络和微型 PVA 颗粒组成。在拉伸载荷下，水凝胶的结晶度增加，促进了高度紧凑的 PVA/PEG 纤维网络的形成；在压缩载荷下，刚性 PVA 颗粒相互压缩以共同分担载荷。该设计显著提高了 BPP 水凝胶的整体拉伸和压缩力学性能，例如 高抗压强度（ 86% ， 29.5 MPa ） 、 高拉伸强度（ 265% ， 10.5 MPa ） 、抗疲劳、抗冲击和抗切割。在混合滑液条件下，其摩擦系数 (COF) 极低，比 AC 低约 75% 。封装的水凝胶传感器表现出高灵敏度、高线性度和快速响应时间。这种简单而有效的仿生策略在防护传感设备中展现了广泛的应用前景。

相关研究成果2025年3月8日以“ Cartilage-bioinspired tenacious concrete-like hydrogel verified via in-situ testing ”为题发表在 Nature Communications 上。

仿生混凝土结构设计 ：从关节软骨的混凝土状结构中获得灵感，设计了由 PVA/PEG 纤维网络和微米级 PVA 颗粒组成的仿生混凝土结构，使水凝胶在拉伸和压缩载荷下均表现出优异的力学性能。

高强度与高韧性兼具 ：所制备的 BPP 水凝胶具有高强度（拉伸强度 10.5 MPa ，压缩强度 29.5 MPa ）和高韧性，其力学性能与天然软骨相当，超过了大多数现有合成水凝胶。

优异的润滑与耐磨性能 ： BPP 水凝胶在混合滑液条件下具有极低的摩擦系数（比天然软骨低约 75% ），展现出良好的耐磨性和润滑性能，适用于需要长期使用且具有剪切应力的保护传感器。

卓越的抗冲击与切割性能 ： BPP 水凝胶表现出优异的抗冲击和切割性能，能够有效吸收冲击能量，即使在极端压缩下也能保持完整，展现出良好的完整性和恢复能力。

图 1. 材料设计和潜在应用

图 2.BPP 水凝胶的机械性能

图 3.BPP 水凝胶结构演变的微观表征和原位 SAXS/WAXS

图 4.BPP 水凝胶的原位冲击测试和耐磨性测试

表 1. 法向载荷与接触应力的关系

图 5.BPP 水凝胶的性能分析及传感应用