最新NM：芬兰阿尔托大学张航&Olli Ikkala，高模量自修复水凝胶

生物组织具有合成材料无法比拟的非凡性能，例如自我修复、适应性以及刚度、强度和韧性之间复杂平衡的机械性能。水凝胶被认为是生物组织的合成等价物，具有独特的特性，例如水和营养物质的运输能力、优异的生物相容性、离子电导率和仿生特性，这些优势在传统弹性体系统中通常受到限制。

自修复软材料在人造皮肤、软机器人和生物医学应用等领域有着巨大的潜力。自修复水凝胶通常基于聚合物网络中动态可交换的分子相互作用，例如氢键、疏水相互作用、物理吸附、主客体相互作用、静电相互作用、动态共价键或它们的组合。尽管大多数自 修复水凝胶的杨氏模量低于 100 kPa ，但一些系统已显示出 4 MPa 至 10 MPa 之间的增强杨氏模量。此外，已报道了模量高于 100 MPa 的刚性水凝胶，例如 Ca ²⁺ 交联、超分子和矿化水凝胶。然而，它们不具备自修复能力，因为所用的高刚度机制阻碍了动态键交换和链扩散。相比之下，人体皮肤等生物组织的弹性模量可以达到数十兆帕，但具有显著的自修复能力。因此，在将自修复和高刚度结合起来的人工水凝胶方面存在知识空白。

芬兰阿尔托大学张航、 Olli Ikkala 教授、德国拜罗伊特大学 Josef Breu 教授等研究人员 展示了一种坚硬且可自修复的水凝胶，其 模量为 50 MPa ，抗拉强度高达 4.2 MPa ，这是通过共面纳米限制中的聚合物缠结实现的。通过在完全分层的合成锂蒙脱石纳米片支架内聚合高浓度单体溶液来实现的，该纳米片剪切定向成宏观单畴。尽管模量高，但所得物理凝胶在各种基材上都具有高粘附剪切强度，但 自修复效率高达 100% 。这种纳米限制方法允许通过嵌入胶体材料（例如 MXenes ）来整合新功能，并且可以推广到其他聚合物和溶剂，以制造用于软机器人、增材制造和生物医学应用的坚硬和自修复凝胶。

相关研究成果2025年3月7日以“ Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement ”为题发表在 Nature Materials 上。

高模量与自修复能力的结合 ：首次实现了同时具备高模量（ 50 MPa ）和高自修复效率（最高达 100% ）的水凝胶，突破了传统水凝胶难以兼顾高 stiffness 和自修复性能的局限。

共面纳米限制策略 ：通过在合成的锂蒙脱石纳米片支架内进行单体聚合，形成共面纳米限制环境，使聚合物链在其中高度纠缠，从而赋予水凝胶高强度和自修复能力。

多功能集成 ：可以在纳米限制水凝胶中嵌入其他功能材料（如 MXenes ），实现协同效应，进一步拓展其应用范围，如热伪装和电磁干扰屏蔽等。

广泛应用潜力 ：该纳米限制策略具有普适性，可推广到其他聚合物和溶剂体系，为制造用于软机器人、增材制造和生物医学等领域的高性能水凝胶提供了新方法。

图 1. 基于共面单畴液晶纳米片支架内 PAAm 聚合物缠结的纳米限制水凝胶

图 2. 粘土纳米片 / 纳米片 AR 和聚合物浓度的影响

图 3. 基于共面纳米限制中的聚合物缠结的自修复

图 4. 纳米限制的 Hec-PAAm 水凝胶中的强粘附性

图 5. 组装的复杂形状水凝胶的自修复功能和新功能的结合的展示