生物組織，如肌腱或軟骨，具有很高的強度和韌性，并且在經曆形變後仍能維持極小的塑性形變。相比之下，目前常用的增強增韌水凝膠的政策普遍利用基于實體鍵的能量耗散機制，這會導緻較大的塑性形變，進而限制了它們作為承重部件的應用。
鑒于此，芬蘭阿爾托大學張航研究員提出了一種利用含有纖維網絡的互連雙網絡（fibrillar connected double networks, fc-DN）增強增韌水凝膠的政策。他們合成了一種水凝膠，其中聚丙烯酰胺網絡和丙烯酸酯改性瓊脂糖纖維網絡通過化學鍵牢固結合。這一設計使應力能夠在兩個網絡之間有效傳遞，在形變過程中實作瓊脂糖纖維沿應變方向高度取向排列，并增強了瓊脂糖分子鍊抽出效應，兩者共同促成了水凝膠的高強度（8 MPa）和高韌性（55 MJ m-3），而化學交聯則確定水凝膠在經曆高應變後能保持低塑性形變。相關研究成果以題為“Toughening hydrogels with fibrillar connected double networks”發表在《Advanced Materials》上。本文的通訊作者為阿爾托大學張航研究員，第一作者為阿爾托大學博士研究所學生Yu-Huang Fang。
文章要點1. 利用丙烯酸酯改性瓊脂糖（AcAG）纖維作為大分子交聯劑，以丙烯酰胺為單體，合成了一種互連雙網絡水凝膠（fc-DN）。2. AcAG纖維和聚丙烯酰胺之間通過化學鍵結合，形成互連雙網絡，實作比傳統的小分子交聯的雙網絡水凝膠更高的斷裂強度和韌性。3. 原位SAXS證明，在fc-DN形變過程中，瓊脂糖纖維沿應變方向的取向度比傳統纖維雙網絡(f-DN)的更高。網絡間的化學鍵提高了界面強度，有助于應力傳遞。4. 與互連雙網絡(c-DN)相比，fc-DN在形變過程中具有纖維取向和瓊脂糖分子鍊抽出效應，是以具有更高的能量耗散效率以及更高的機械強度。5. 當作為承重部件使用時，fc-DN水凝膠具有更優異的抗穿刺和抗沖擊性能。
圖1. 丙烯酸酯改性瓊脂糖/聚丙烯酰胺fc-DN水凝膠。
圖2. 循環拉伸測試和原位SAXS表征。
圖3.fc-DN水凝膠作為承重部件表現更優異。來源：高分子科學前沿