主要观点总结
近年来，水凝胶因独特性能在多个领域备受关注，但其机械强度不足是广泛应用的一大难题。为解决这一问题，不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang团队提出了一种基于糖类材料的多尺度氢键增强策略。该策略通过优化水凝胶的内部网络结构，引入两种不同尺度的糖类材料，有效提升了水凝胶的机械性能，同时表现出优异的环境耐受能力和抗恶劣溶剂性能。这一突破为未来开发高质量、耐用的水凝胶提供了新思路，并为可持续生物材料的创新应用开启了新的篇章。该研究成果发表在《Materials Horizons》期刊上。
关键观点总结
关键观点1: 研究背景
水凝胶因其独特性能在多个领域受到广泛关注，但机械强度不足是限制其广泛应用的问题。
关键观点2: 解决方法
Feng Jiang团队采用了一种基于糖类材料的多尺度氢键增强策略，通过引入不同尺度的糖类材料，优化水凝胶的内部网络结构。
关键观点3: 策略实施效果
该策略显著增强了水凝胶的机械性能，同时提高了其环境耐受能力和抗恶劣溶剂性能。
关键观点4: 创新点与优势
这一策略不仅适用于多种材料体系，还展现出广阔的应用前景，如作为生物电子接口用于记录生理信号。该策略为未来开发高质量、耐用的水凝胶提供了新思路，为可持续生物材料的创新应用开启了新的篇章。
关键观点5: 研究成果发表情况
该研究成果发表在《Materials Horizons》期刊上。
正文
近年来，水凝胶凭借其独特的性能在多个领域备受关注，但其机械强度不足的问题始终是阻碍其广泛应用的一大难题。为解决这一问题，
不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang团队 (第一作者 Yuhang Ye)
创新性地提出了一种基于糖类材料的多尺度氢键增强策略，通过优化水凝胶的内部网络结构，有效提升其机械性能。
这一方法的核心在于引入两种不同尺度的糖类材料——分子级的单糖（如葡萄糖）和纳米/微米级的多糖（如纤维素纳米纤维）。它们能够在水凝胶内部形成跨尺度的氢键网络，大大增强水凝胶的韧性。同时，这种增强的水凝胶还表现出优异的环境耐受能力和抗恶劣溶剂性能，即使在极端条件下也能稳定性能。例如，将水凝胶与乙醇交换后，得到的醇凝胶会因外力作用呈现出独特的鲜艳干涉色，非常适合用来制作力学-光学传感器。同时，这一策略不仅适用于多种材料体系，还展现出广阔的应用前景，比如可以作为生物电子接口用于记录生理信号。这一突破为未来开发更高质量、更耐用的水凝胶提供了新思路，也为可持续生物材料的创新应用开启了新的篇章。
2024年12月4日，该研究成果
以“
Toughening hydrogels through a multiscale hydrogen bonding network enabled by saccharides for a bio-machine interface† Check for updates
”为题
发表在期刊《
Materials Horizons
》
（
DOI:
10.1039/D4MH01645A
）。
图
1. 概念设计与材料制备示意图
(a) 糖类材料
的层级结构特征；
(b) 常规水凝胶网络基于多尺度糖类的修复材料示意图。
图
2. 糖类诱导修复策略的实验与理论验证
。
(a) PAM参考水凝胶及一系列改性水凝胶的FTIR光谱；(b) 不同水凝胶的¹H NMR光谱；(c) 不同水凝胶在化学位移7.2-7.9 ppm处的放大¹H NMR光谱；(d) 分子动力学模拟图，展示PAM、葡萄糖、CNF和水之间的分子间相互作用；(e) 不同体系中平均氢键数量的统计结果。
图
3. 机械性能增强效果
.
(a) 不同水凝胶体系的典型应力-应变曲线；(b-e) 不同水凝胶体系的应力、拉伸率、断裂功和杨氏模量；(f) 数码照片展示不同水凝胶体系在刚度上的差异；(g) 将该策略与其他报道方法进行对比，基于增强因子和最大韧性列出三个具有代表性的示例，包括高功能度交联、双网络、纳米材料杂化以及材料模板化方法。
图
4.
水状态表征及结合水诱导的环境适应性
.
(a) PAM
和
g-PAM/CNF
水凝胶的
DSC
曲线；
(b) PAM
和
g-PAM/CNF
水凝胶的
¹H NMR
光谱；
(c)
各分子对的最优分子构型及其对应的结合能；
(d-f) PAM
和
g-PAM/CNF
水凝胶在环境条件下暴露
24
小时后的剩余重量、机械性能和离子电导率变化；
(g-i) PAM
和
g-PAM/CNF
水凝胶在冷冻干燥
48
小时后的剩余重量、机械性能和离子电导率变化。
图
5.
恶劣溶剂抗性与构型变化诱导的干涉色
(a)
乙醇处理后的
g-PAM/CNF
和
PAM
醇凝胶的拉伸测试应力
-
应变曲线；
(b)
乙醇处理后的
g-PAM/CNF
和
PAM
醇凝胶的拉伸率和断裂功；
(c)
生成双折射引起的干涉色机制示意图；
(d)
在偏振片
下，g PAM/CNF
醇凝胶随拉伸比变化的颜色变化（蓝色框表示未经处理的水凝胶，红色框表示醇凝胶）；
(e) CIE
色度坐标中的颜色光谱分布。
图
6.
作为生物电子接口的应用展示
。
(a)
数码照片展示使用水凝胶作为界面后增强的肌电图（
EMG
）电极贴合性能；
(b, c)
通过基于
g-PAM/CNF
水凝胶的电极记录的即时和
12
小时后的
EMG
脉冲信号；
(d)
基于
EMG
信号分析的信噪比（
SNR
）值；
(e, f)
使用
PAM
水凝胶电极即时和
12
小时后记录的心电图（
ECG
）脉冲信号；
(g)
基于
PAM
电极的
EMG
信号分析的对应信噪比（
SNR
）值。
论文信息：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01645a
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