收稿日期：2023-12-20""" 修回日期：2024-01-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2022YFB3205400）; 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.52275570）; 重慶市自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（No.cstc2021jcyj-msxmX0801）;陜西省科技新星項(xiàng)目（No.2023KJXX-001）

第一作者：秦廣照，高級(jí)工程師。賈博清，博士研究生。共同第一作者。

通信作者：

李支康，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：zhikangli@xjtu.edu.cn

趙立波，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail： libozhao@xjtu.edu.cn

引用格式：

秦廣照，賈博清，王斌，等.水凝膠力學(xué)性能強(qiáng)化及典型應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（3）：485-498.

QIN Guangzhao， JIA Boqing， WANG Bin，et al.Advances in research on the mechanical property enhancement and typical applications of hydrogels［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：485-498.

文章編號(hào)：1000-4939（2024）03-0485-14

李支康，西安交通大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期聚焦于MEMS超聲傳感器及柔性可穿戴傳感技術(shù)，圍繞其多場(chǎng)耦合理論、芯片設(shè)計(jì)、制造工藝等關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題開展大量研究。主持國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金委青年/面上項(xiàng)目等國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目共10余項(xiàng)。已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文57篇，授權(quán)發(fā)明專利50項(xiàng)，其中美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)。受邀撰寫Springer英文書籍2章，中文教材1部，擔(dān)任國(guó)際MEMS領(lǐng)域知名期刊Micromachines客座編輯以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域期刊Frontiers in Medical Technology副編輯。入選陜西省青年科技新星、中國(guó)博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目等多項(xiàng)人才計(jì)劃；獲得中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

摘" 要： 水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、腦機(jī)接口、傳感器、制動(dòng)器等高科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，水凝膠在面對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境時(shí)仍存在力學(xué)性能上的挑戰(zhàn)，包括易發(fā)生拉伸斷裂、塑性變形以及疲勞破壞等問題，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。為了增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能以適應(yīng)不同的工作條件，本研究對(duì)當(dāng)前不同組分水凝膠所具備的力學(xué)性能以及多種力學(xué)強(qiáng)化水凝膠的典型應(yīng)用進(jìn)行了綜述。首先，對(duì)水凝膠的成分構(gòu)成進(jìn)行了介紹，包括天然聚合物水凝膠和合成聚合物水凝膠等。進(jìn)而，通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)不同水凝膠的力學(xué)特性和強(qiáng)化方式，深入剖析了抗拉強(qiáng)度、黏接強(qiáng)度和疲勞閾值等力學(xué)性能的優(yōu)化途徑。最后，指明了具有優(yōu)秀力學(xué)性能水凝膠相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。本綜述提供了水凝膠力學(xué)性能提升的多元化視角和解決方案，為設(shè)計(jì)特定需求的新型水凝膠材料提供了科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水凝膠；力學(xué)性能；組成成分；應(yīng)用場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：TH789" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.001

Advances in research on the mechanical property enhancement and typical applications of hydrogels

QIN Guangzhao1，JIA Boqing2，3，4，5，WANG Bin2，3，4，5，WANG Jiaxiang 2，3，4，5，LU Jijian2，3，4，5，ZHAO Kang2，3，4，5，LI Zhikang2，3，4，ZHAO Libo2，3，4

（1.Brightstone Innovation （Yantai） Research Institute for Micronano Sensing Technology，264006 Yantai，China;

2.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xian Jiaotong University，710049 Xian，China;

3.International Joint Laboratory for Micro/Nano Manufacturing and Measurement Technologies，Xian Jiaotong University，710049 Xian，China;

4.School of Instrument Science and Technology，Xian Jiaotong University，710049 Xian，China;5.School of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University，710049 Xian，China）

Abstract：Hydrogels hold great promise in various high-tech fields such as biomedicine，brain-machine interfaces，flexible sensors，and soft actuators.However，they still face mechanical challenges when encountering different application environments，including susceptibility to tensile fracture，plastic deformation，and fatigue failure，which severely limit their application range.To enhance the mechanical properties of hydrogels to adapt to different working conditions，this study makes a comprehensive review of the mechanical properties of current hydrogel formulations and typical applications of various mechanically reinforced hydrogels.First，the composition of hydrogels is introduced，including natural polymer hydrogels and synthetic polymer hydrogels.Then，by systematically summarizing the mechanical characteristics and reinforcement methods of different hydrogels，the optimization pathways of mechanical properties such as tensile strength，adhesive strength，and fatigue threshold are analyzed in depth.Last，potential application scenarios for hydrogels with excellent mechanical properties are identified，and future development directions are discussed.This review provides a diverse perspective and solutions for enhancing the mechanical properties of hydrogels，providing scientific guidance for designing novel hydrogel materials tailored to specific requirements.

Key words：hydrogel; mechanical property; constituent component; application scenario

水凝膠，作為滲透有水的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞、組織和器官的主要成分，其具備極端的力學(xué)性能，為生物體提供了卓越的生存基礎(chǔ)［1-2］ADDINNE.Ref.{81853B37-5BC9-445D-A644-030DE69788C9}。例如，軟骨作為堅(jiān)硬的結(jié)締組織，借助強(qiáng)膠原纖維與蛋白多糖大分子相互滲透的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了卓越的黏彈性和孔彈性，在承受數(shù)百萬(wàn)次壓應(yīng)力的同時(shí)，保持高斷裂韌性［3-4］ADDINNE.Ref.{51F09BF8-84A9-4E75-940D-8701772C181F}。在聚合物和軟材料領(lǐng)域的前沿工作為水凝膠的彈性、膨脹、孔隙彈性、黏彈性、斷裂和疲勞等性能提供了基礎(chǔ)［5-6］ADDINNE.Ref.{3B4E5D68-3C73-422E-A53F-F07533CDC069}，已經(jīng)在彈性體中實(shí)現(xiàn)了高斷裂韌性［7-8］ADDINNE.Ref.{745D9646-8EE5-42DB-B551-E35AC5637889}、拉伸強(qiáng)度［9-10］ADDINNE.Ref.{6CF1A89E-B333-48BB-9F86-EEDD931EF14B}、回彈性和黏接強(qiáng)度等特性［11-12］ADDINNE.Ref.{30779F33-CC35-49D5-AFCB-E4B9616B471F}。然而，要實(shí)現(xiàn)特定力學(xué)性能的水凝膠設(shè)計(jì)仍然是當(dāng)前領(lǐng)域的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

近幾十年來(lái)，水凝膠研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展［1，13］ADDINNE.Ref.{D04EEEB7-D0C9-443F-8363-8B2E69C923BC}，新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λz力學(xué)性能的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。例如，為了調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化周期和活性，需要設(shè)計(jì)具有不同模量和黏彈性特性的水凝膠［14-15］ADDINNE.Ref.{CF68685B-946B-4290-98B4-C5D9769B9296}。同時(shí)，人工軟骨和椎間盤的水凝膠在循環(huán)機(jī)械載荷下需具備抗疲勞性能［3-4］ADDINNE.Ref.{23B947BE-123E-43F6-BE53-8DD04F73CDAB}。水凝膠在各種設(shè)備和機(jī)器中的應(yīng)用對(duì)其特定性能也提出了特殊需求，如水凝膠傳感器的刺激敏感性［16-17］ADDINNE.Ref.{E2BCFF93-E5D8-4538-BA99-698D97F15D58}和水凝膠制動(dòng)器涂層的強(qiáng)附著力［18-19］ADDINNE.Ref.{C2E419BD-7182-4283-A688-280FAA5CA73E}。本綜述旨在全面介紹水凝膠的構(gòu)成、強(qiáng)化方式、應(yīng)用場(chǎng)景及未來(lái)展望。首先，將深入探討常見水凝膠組分及其形成原理，為讀者提供對(duì)水凝膠構(gòu)成的全面認(rèn)識(shí)；其次，將詳細(xì)討論具有極端力學(xué)性能的水凝膠及其強(qiáng)化方式，并分析這些強(qiáng)化方式在不同基底上的拓展；然后，將系統(tǒng)介紹不同力學(xué)性能水凝膠在各種場(chǎng)景中的具體應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行展望；最后，對(duì)綜述進(jìn)行全面總結(jié)，強(qiáng)調(diào)本工作對(duì)水凝膠技術(shù)領(lǐng)域的重要性。

1" 典型水凝膠材料

水凝膠作為由高分子聚合物構(gòu)成的凝膠網(wǎng)絡(luò)，能夠在其分子結(jié)構(gòu)中嵌入大量水分子［20］。因此，其在吸水性，生物相容性和力學(xué)性能可調(diào)性等方面表現(xiàn)出色，研究人員充分利用該特性推動(dòng)了水凝膠在生物醫(yī)療與電子器件先進(jìn)場(chǎng)景下的廣泛應(yīng)用［21］ADDINNE.Ref.{0728DFFB-AE01-4E08-8C7A-576B4ABFB9CA}。這些水凝膠網(wǎng)絡(luò)大致可分為天然聚合物和合成聚合物，常見水凝膠材料種類如圖1所示。

1.1" 天然聚合物水凝膠

天然聚合物水凝膠采用天然衍生聚合物來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，這類水凝膠基于天然聚合物的獨(dú)特性能，表現(xiàn)出與生物組織相容優(yōu)良的卓越特性［22］ADDINNE.Ref.{24E37889-ECB8-49FB-B489-D0E8DFAB512F}，并通過(guò)代謝在體內(nèi)降解并被人體吸收。此外，天然聚合物通常含有豐富的可供交聯(lián)和改性的活性位點(diǎn)，從而為強(qiáng)化水凝膠的力學(xué)性能提供便利。在接下來(lái)的討論中，將簡(jiǎn)要概述幾種常見的天然聚合物水凝膠所具有的力學(xué)性能，以及它們?cè)谏镝t(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.1.1" 纖維素基水凝膠

天然纖維素，源自植物、棉花、亞麻等天然纖維植物，其分子結(jié)構(gòu)由多葡萄糖分子通過(guò)β-1，4-糖苷鍵連接形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得纖維素在水和其他一般溶劑中不易溶解［23-24］ADDINNE.Ref.{1A4B42C2-959F-4566-AE7A-6DE4FD94B9AE}。纖維素衍生物，如甲基纖維素、羥丙基纖維素和羧甲基纖維素，通過(guò)主鏈上羥基的酯化或醚化改性，相較于天然纖維素更容易溶解和加工。纖維素及其衍生物通過(guò)化學(xué)交聯(lián)形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)，其中雙官能團(tuán)和多官能團(tuán)分子能夠在纖維素鏈之間形成共價(jià)酯或醚鍵。此外，纖維素及其衍生物與天然聚合物（如殼聚糖和透明質(zhì)酸）或合成聚合物（如聚乙烯醇和聚（N，N-二甲基丙烯酰胺））的共混形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)［25］ADDINNE.Ref.{50BDF85B-E34C-4D5A-B1BF-21ECEC9B9495}，可將抗壓強(qiáng)度控制在0.09～0.9MPa，抗壓彈性模量控制在0.2～3.1MPa，斷裂能控制在1.3～14.6MJ/m3，這種混合強(qiáng)化策略因其無(wú)毒和非免疫原性，可通過(guò)注射方式用于傷口愈合與藥物傳遞。特別值得注意的是，由某些種類細(xì)菌（如木醋桿菌）產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素能夠直接形成斷裂拉伸應(yīng)力為0.028MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為23.2%的纖維素水凝膠［26］。由于纖維素基水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性、生物可降解性、生物相容性和透明性，已廣泛應(yīng)用于藥物輸送、組織工程和血液凈化等領(lǐng)域［27-29］。

1.1.2" 蛋白質(zhì)基水凝膠

科學(xué)家通過(guò)對(duì)纖維蛋白原進(jìn)行凝血酶處理制備了纖維蛋白，這一天然聚合物形成的水凝膠展現(xiàn)出密集的纖維網(wǎng)絡(luò)，有助于加速自然傷口愈合過(guò)程［30-31］ADDINNE.Ref.{F2937B3B-5364-47DD-BC47-588F5E47DEE1}。纖維蛋白原與凝血酶溶液在室溫下混合，形成凝塊或水凝膠，由于其物理交聯(lián)的特性，合成的纖維蛋白水凝膠通常具有較弱的力學(xué)性能。研究者為了改善這一情況，引入化學(xué)交聯(lián)劑，例如京尼平，以交聯(lián)纖維蛋白上的胺殘基，從而形成更為穩(wěn)定的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)［32］ADDINNE.Ref.{53134A25-6F74-44DF-8EF2-5D24E0D9E13B}，添加有0.09mg/mL交聯(lián)劑水凝膠剪切模量為6.06 kPa，相比較未添加交聯(lián)劑的剪切模量3.54kPa提高了近一倍，從而在力學(xué)性能上滿足了外科手術(shù)中組織黏接劑的需求［33］ADDINNE.Ref.{3379E92D-7669-4417-9DCF-A8A00B7F0EB3}。

明膠同樣作為廣泛研究的蛋白質(zhì)基水凝膠材料，是一種通過(guò)將膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)分解成單鏈分子而獲得的天然聚合物。該聚合物可分為兩種類型，即A型和B型，分別由膠原通過(guò)酸和堿處理得到。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，明膠水凝膠經(jīng)常發(fā)生物理交聯(lián)，致使其存在長(zhǎng)期應(yīng)用不穩(wěn)定性的問題。為了增強(qiáng)明膠水凝膠的穩(wěn)定性，共價(jià)交聯(lián)劑如甲醛和甘油醛等醛類、聚氧化物以及異氰酸酯，被廣泛用于架橋反應(yīng)，其原理是明膠分子上游離賴氨酸和羥賴氨酸的氨基以及游離谷氨酸和天冬氨酸的羧基發(fā)生反應(yīng)。一種具有代表性的反應(yīng)產(chǎn)物是甲基丙烯?；髂z，其通過(guò)甲基丙烯酸酯的改性形成共價(jià)交聯(lián)的水凝膠［34］ADDINNE.Ref.{D5142E0B-4DD9-4037-B049-4949A7575B8B}，改變甲基丙烯酸酯取代度和明膠甲基丙烯酰濃度可以使存儲(chǔ)模量在1.2～15.9kPa間調(diào)整，機(jī)械強(qiáng)度超越了純物理交聯(lián)的明膠水凝膠。明膠分子還傾向于與各種摻雜劑發(fā)生物理相互作用，如碳納米管、氧化石墨烯、無(wú)機(jī)納米顆粒和礦物質(zhì)［35-36］ADDINNE.Ref.{EDD9D9F1-1F8F-4929-97A0-F8DB5A3B588E}。通過(guò)這些共價(jià)交聯(lián)、修飾和相互作用，獲得了拉伸模量為0.12MPa且經(jīng)過(guò)10個(gè)壓縮循環(huán)后應(yīng)力值隨時(shí)間變化恒定的可逆水凝膠［37］。

蛋白基水凝膠簡(jiǎn)單的凝膠化過(guò)程與患者自身血液的非排他性使得其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中備受關(guān)注，在傷口愈合、外源性支架、眼部治療、心臟與肌肉組織工程、軟骨修復(fù)和神經(jīng)再生［4，14-15］等組織工程領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

1.1.3" 多糖基水凝膠

瓊脂糖，作為多糖水凝膠中常見的材料，是一種由β-d-半乳糖?；?，6-無(wú)水-α-l-半乳糖?；M成的中性多糖，主要從紅藻中提取。瓊脂糖是一種熱敏聚合物，可以加熱溶解在水中，然后冷卻形成水凝膠。在凝膠化過(guò)程中，瓊脂糖結(jié)構(gòu)從隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸噫溇奂碾p螺旋結(jié)構(gòu)［38］，通過(guò)與3D打印技術(shù)結(jié)合，在515nm可見光下固化30 s，然后在37 ℃下加熱即可成型。加工出的水凝膠網(wǎng)絡(luò)具有較高的抗壓強(qiáng)度和模量，分別為（102.38±5.27）kPa和（782±20.36）kPa，滿足了體內(nèi)組織支架的需求。瓊脂糖水凝膠的膠凝溫度和力學(xué)性能可以通過(guò)改變水凝膠中瓊脂糖的濃度、分子量和結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)。另一種常見的多糖基水凝膠材料殼聚糖是由β-1，4-連接的d-氨基葡萄糖和n-乙酰-氨基葡萄糖組成的線性多糖。殼聚糖可以通過(guò)疏水相互作用、氫鍵、金屬配位和靜電相互作用（與多價(jià)陰離子如硫酸鹽、檸檬酸鹽和磷酸鹽離子；與陰離子聚電解質(zhì)如多糖、蛋白質(zhì)和合成聚合物）形成物理交聯(lián)的水凝膠。這些物理交聯(lián)的殼聚糖水凝膠通常力學(xué)性能弱，壽命短，受pH、溫度和離子強(qiáng)度的影響很大。為了提高殼聚糖水凝膠的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，在水凝膠中引入共價(jià)交聯(lián)劑（二醛、甲醛、二甘油酯醚），它們可以與殼聚糖骨架上的殘余官能團(tuán)（如OH、COOH和NH2）反應(yīng)形成酰胺鍵［39］，通過(guò)改變交聯(lián)劑甲醛濃度，發(fā)現(xiàn)殼聚糖水凝膠隨著甲醛濃度改變時(shí)最大抗壓強(qiáng)度和模量可達(dá)（459.8±52.9）kPa和（121.4±12.2）kPa，分別是純殼聚糖水凝膠的4.3倍和11.5倍，這種具有形狀記憶性、優(yōu)秀能量耗散性的高強(qiáng)度水凝膠具有更長(zhǎng)的使用壽命，是體內(nèi)植入物的優(yōu)秀選項(xiàng)。

由于多糖基水凝膠在人體中的免疫反應(yīng)較低，在細(xì)胞包封、軟骨修復(fù)、神經(jīng)再生和藥物遞送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.2" 合成聚合物水凝膠

除了天然聚合物外，合成聚合物也被廣泛用于水凝膠的設(shè)計(jì)和制造。水凝膠的合成聚合物網(wǎng)絡(luò)通常由聚合物骨架和交聯(lián)劑的單體共聚形成，或由合成聚合物、大分子和交聯(lián)劑的反應(yīng)形成。這些精密設(shè)計(jì)的水凝膠由于具備可調(diào)控的力學(xué)性能，尤其在傳感器、制動(dòng)器等電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。本節(jié)將介紹常見的幾種合成聚合物水凝膠及其改性聚合物通過(guò)共價(jià)交聯(lián)形成水凝膠所具有的力學(xué)性能。

1.2.1" 聚丙烯酸

聚丙烯酸是由丙烯酸單體自由基聚合而成的一種線狀聚合物。得益于主鏈含有大量的羧基，丙烯酸單體可以通過(guò)共價(jià)交聯(lián)和物理交聯(lián)形成水凝膠［40］ADDINNE.Ref.{68B3CFCB-A85D-4BB0-89CA-AA2D49FEFDB2}。共價(jià)交聯(lián)聚丙烯酸水凝膠通常由二/多乙烯基交聯(lián)劑與丙烯酸單體共聚而成，而物理交聯(lián)的聚丙烯酸水凝膠形成原理是其攜帶的大量羧基可以與各種摻雜劑如黏土、氧化石墨烯以及陽(yáng)離子形成物理相互作用［41］ADDINNE.Ref.{634F61FD-B5AF-43DC-9B81-555BD11FDF0B}。LIN等［42］構(gòu)建了聚丙烯酸和纖維素互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，相對(duì)于只存在化學(xué)交聯(lián)聚丙烯酸的0.31MPa抗壓強(qiáng)度和0.95MPa壓縮模量，互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠將抗壓強(qiáng)度和壓縮模量提高了近18倍和23倍。網(wǎng)絡(luò)中多條鏈之間的羧基通過(guò)形成氫鍵，使水凝膠具有自愈或自黏的特性，拓展了其在可修復(fù)電子器件領(lǐng)域中的可能性。

1.2.2" 聚乙烯醇

聚乙烯醇主要由聚醋酸乙烯酯部分水解而得。與聚丙烯酸水凝膠相似，聚乙烯醇可以通過(guò)物理交聯(lián)或共價(jià)交聯(lián)形成穩(wěn)定而有彈性的水凝膠。通過(guò)反復(fù)冷凍和解凍乙烯醇溶液，可以得到物理交聯(lián)的聚乙烯醇水凝膠［43］ADDINNE.Ref.{17E66CCA-68FC-4378-ABE1-C49961976089}，其抗壓強(qiáng)度為14.76MPa。為獲得具有高彈性、高韌性、高強(qiáng)度和抗疲勞的聚乙烯醇水凝膠，在溶液中加入雙官能交聯(lián)劑如戊二醛、環(huán)氧氯丙烷、硼酸和雙醛進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)，進(jìn)而顯示出明顯不同的力學(xué)性能［44］，所制備的聚乙烯醇水凝膠拉伸強(qiáng)度高達(dá)（11.19±0.27）MPa，斷裂應(yīng)變約（1879±10）%，斷裂韌性為（82.28±2.89）MJ/m3，斷裂能和疲勞閾值分別能達(dá)到（25.39±6.64）kJ/m2和1233J/m2。聚乙烯醇水凝膠在生物電子領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用，如電子紋身、皮膚電極和腦電接口。

1.2.3" 聚乙二醇

聚乙二醇通常通過(guò)環(huán)氧乙烷的陰離子或陽(yáng)離子聚合而成。其聚合物可采用多種方法交聯(lián)成水凝膠。一種常見的方法是修飾聚乙二醇鏈的末端，引入不飽和基團(tuán)，例如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯末端。隨后，通過(guò)光/紫外線誘導(dǎo)自由基聚合與其他不飽和單體反應(yīng)形成水凝膠。此外，聚乙二醇鏈的末端基團(tuán)可以通過(guò)不同的反應(yīng)進(jìn)行修飾，例如馬來(lái)酰亞胺/硫醇和聚（甲基丙烯酸羥乙酯-共聚丙烯酸）等。通過(guò)這些化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，可得到相對(duì)強(qiáng)韌的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。WANG等［45］制備的聚（甲基丙烯酸羥乙酯-共聚丙烯酸）/聚乙二醇凝膠共聚水凝膠表現(xiàn)出可調(diào)控的力學(xué)性能。其拉伸強(qiáng)度范圍為0.22～41.3MPa，斷裂應(yīng)變范圍為12%～4336%，模量范圍為0.08～352MPa，韌性范圍為2.89～56.23MJ/m3。這種水凝膠通過(guò)3D技術(shù)制備的自修復(fù)和堅(jiān)韌制動(dòng)器成功實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別與抓取。由于聚乙二醇及其衍生物具有高可拉伸性和可控的交聯(lián)程度，在電子器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2" 水凝膠力學(xué)特性和強(qiáng)化方式

隨著合成水凝膠的材料和方法不斷涌現(xiàn)，該領(lǐng)域也在蓬勃發(fā)展。然而，隨著水凝膠應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，對(duì)于其力學(xué)性能的研究和強(qiáng)化已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（圖2），因此，通過(guò)深入探究水凝膠的力學(xué)性能及其強(qiáng)化方式，對(duì)于推動(dòng)其應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2.1" 抗拉強(qiáng)度

由于水凝膠材料最常見的應(yīng)用場(chǎng)景為拉伸實(shí)驗(yàn)，故水凝膠的抗拉強(qiáng)度為最受關(guān)注的力學(xué)性能之一。抗拉強(qiáng)度被定義為在單軸拉伸試驗(yàn)中引起最終拉伸失效的應(yīng)力。其表達(dá)式為

Sf=FfA，σf=Ffa（1）

式中：Ff是試樣失效時(shí)的拉力；A和a分別是試樣在未變形和變形狀態(tài)下的橫截面積；Sf和σf分別是標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度和實(shí)際抗拉強(qiáng)度。

為實(shí)現(xiàn)具有高抗拉強(qiáng)度的水凝膠，應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原理是使水凝膠網(wǎng)絡(luò)中有足夠多的聚合物鏈來(lái)應(yīng)對(duì)同時(shí)硬化和斷裂的工作條件。但由于水凝膠中含有各種形態(tài)的缺陷顯著降低材料的拉伸強(qiáng)度，因此，設(shè)計(jì)出具有不依賴缺陷尺寸拉伸強(qiáng)度的水凝膠也是一大研究重點(diǎn)。

與疲勞閾值強(qiáng)化方式類似，通過(guò)在水凝膠中引入納米晶域等高官能團(tuán)可以顯著提高水凝膠抗拉強(qiáng)度。當(dāng)水凝膠發(fā)生較大的變形時(shí)，納米晶域里面較短的分子鏈會(huì)漸漸被拉拔而出，這樣和周邊毗鄰的分子鏈具有近似的長(zhǎng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同時(shí)硬化和斷裂，滿足高強(qiáng)水凝膠的設(shè)計(jì)原理。翟瑋教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)冷凍鑄造輔助溶液置換制備了溶劑量87%的聚乙烯醇有機(jī)水凝膠。通過(guò)設(shè)計(jì)精致的分層各向異性結(jié)構(gòu)，該材料兼具6.5MPa高強(qiáng)度，1710%應(yīng)變的高拉伸性，58.9MJ/m3超高韌性［46］。在結(jié)構(gòu)層面上，由聚合物、鋼、玻璃和木材制成的高強(qiáng)度纖維已被用于增強(qiáng)水凝膠，由于水凝膠中引入的高強(qiáng)度纖維顯著提升了水凝膠的抗拉強(qiáng)度。文獻(xiàn)［47］中通過(guò)高強(qiáng)度纖維與植酸制備的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有獨(dú)特的雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)，拉伸強(qiáng)度高達(dá)0.836MPa，為不含植酸水凝膠的38倍。近期研究表明，通過(guò)添加硼砂材料組建納米晶域的策略增強(qiáng)聚乙烯醇使得水凝膠拉伸強(qiáng)度增加70%（從48.5MPa增加到82.1MPa），斷裂伸長(zhǎng)率增加46%（從150%增加到220%），引入新材料為水凝膠抗拉強(qiáng)度的提升提供了更優(yōu)質(zhì)的效果［48］。

2.2" 彈" 性

在拉伸之后能否恢復(fù)到原始狀態(tài)，在水凝膠的具體應(yīng)用中也有重要意義，因此水凝膠的彈性也是評(píng)估水凝膠力學(xué)特性的重要指標(biāo)之一。彈性被定義為變形恢復(fù)中釋放的能量與引起材料變形所需的能量之比。常用一個(gè)圓柱形樣品在加載-卸載循環(huán)中的單軸拉伸試驗(yàn)來(lái)計(jì)算，用回彈性R和滯后比H來(lái)評(píng)估，其表示為

R=WRWR+WD，

H=WDWR+WD=1－R（2）

式中，WR和WD分別為卸載時(shí)釋放的能量和每單位體積樣品的耗散能量。由式（2）可知，水凝膠的彈性設(shè)計(jì)需要盡可能降低材料機(jī)械耗散。

目前針對(duì)提高水凝膠彈性也提出多種策略。LIN等［49］制備了聚丙烯酰胺-海藻酸鹽的互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。在受控范圍內(nèi)，預(yù)拉伸破壞短鏈網(wǎng)絡(luò)從而耗散部分機(jī)械能，同時(shí)聚丙烯酰胺長(zhǎng)鏈網(wǎng)絡(luò)保持了水凝膠的高彈性（～95%）和高韌性（1900J/m2）。通過(guò)用彈性納米/微米纖維構(gòu)成納/微米纖維聚合物網(wǎng)水凝膠也可以實(shí)現(xiàn)彈性水凝膠的設(shè)計(jì)。由于斷裂和拉出納/微米纖維所需的能量遠(yuǎn)高于斷裂無(wú)定形聚合物鏈的能量，因此彈性納米/微纖維水凝膠在保證高彈性的同時(shí)也可以很堅(jiān)韌。WEI等［50］使用凍融聚乙烯醇水凝膠作為模型材料，成功地模擬了骨骼肌中排列的納米纖維結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)機(jī)械訓(xùn)練的水凝膠表現(xiàn)出極高的疲勞閾值（1250J/m2）和標(biāo)稱拉伸強(qiáng)度（5.2MPa），同時(shí)保持高含水量（84wt%）和低楊氏模量（200kPa），達(dá)到肌肉水平的綜合性能。 APKIN等［51］通過(guò)在殼聚糖水凝膠中添加氧化鈰納米顆粒從而在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成納/微米纖維，使其彈性模量提高了14%。在該領(lǐng)域研究人員取得了突破性進(jìn)展。

2.3" 韌" 性

與前面兩個(gè)力學(xué)性能不同，韌性是指材料在受到外力作用下發(fā)生塑性變形，并且能吸收較大能量的能力，更關(guān)注材料在拉伸過(guò)程中的延展性和塑性變形能力。斷裂韌性定義為未變形狀態(tài)下水凝膠中裂紋在單位面積上擴(kuò)展所需的能量。斷裂韌性Γ為

Γ=Gc=－dUdA（3）

式中：U為系統(tǒng)的總勢(shì)能；A為未變形狀態(tài)下測(cè)得的裂紋面積；Gc為裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率。

提高水凝膠的韌性可以大大提高水凝膠的應(yīng)用范圍。高韌性水凝膠設(shè)計(jì)主要遵循兩個(gè)原則：

①水凝膠中至少含有一個(gè)高拉伸極限聚合物網(wǎng)絡(luò)，即聚合物網(wǎng)絡(luò)中的聚合物鏈具有高鏈長(zhǎng)；

②水凝膠中至少存在一種變形下能耗散部分機(jī)械能的網(wǎng)絡(luò)［52］。具體方法包括雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、高官能度交聯(lián)水凝膠、可逆交聯(lián)水凝膠和納/微米纖維水凝膠［53-54］。然而，需要注意的是，這些設(shè)計(jì)方法往往會(huì)增加材料的機(jī)械耗散，如前文所述，增加材料的機(jī)械耗散會(huì)降低材料的彈性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以兼顧材料的兩種力學(xué)性能。

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠由長(zhǎng)鏈網(wǎng)絡(luò)和短鏈網(wǎng)絡(luò)相互貫穿而成，當(dāng)發(fā)生變形短鏈網(wǎng)絡(luò)斷裂消耗機(jī)械能的同時(shí)長(zhǎng)鏈網(wǎng)絡(luò)維持水凝膠完整。GONG等［55］基于以聚-2-丙烯?；?2-甲基丙磺酸鈉為短鏈網(wǎng)絡(luò)、聚丙烯酰胺為長(zhǎng)鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠使材料的斷裂韌性提高了幾十倍，相較于單組分聚-2-丙烯?；?2-甲基丙磺酸鈉網(wǎng)絡(luò)的0.05MPa的極限拉伸應(yīng)力和6%的應(yīng)變，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的極限拉伸應(yīng)力和應(yīng)變分別達(dá)到了0.68MPa和75%。高官能度交聯(lián)的水凝膠中相鄰高官能團(tuán)間若干不同長(zhǎng)度聚合物鏈能夠顯著提高其韌性，隨著水凝膠拉伸變形，較短的聚合物鏈脫離高官能團(tuán)交聯(lián)消耗機(jī)械能，而較長(zhǎng)的聚合物鏈實(shí)現(xiàn)水凝膠的完整性和高拉伸性。LANCET等［56］依靠聚甲基丙烯酸甲酯連接的玻璃狀膠束芯，在水中自組裝成彈性水凝膠。

體系中引入部分季銨化的聚（4-乙烯基吡啶）為膠束芯間的相互作用提供了能量耗散機(jī)制，使得斷裂韌性超過(guò) 1000J/m2。納/微米纖維通過(guò)變形時(shí)重新排列和定向增強(qiáng)水凝膠的拉伸性，拉伸時(shí)納/微米纖維斷裂也能消耗大量機(jī)械能，從而提高水凝膠的韌性?；诖藱C(jī)理，研究人員也常通過(guò)纖維素基水凝膠來(lái)設(shè)計(jì)高韌性水凝膠，通過(guò)添加極少量的環(huán)氧氯丙烷，從松散的化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中組建大框架的纖維素水凝膠來(lái)滿足高拉伸性，在此基礎(chǔ)上依靠天然多糖的綠色轉(zhuǎn)化，構(gòu)建出包含納米纖維和亞微束的致密網(wǎng)絡(luò)去消耗變形時(shí)的機(jī)械能，從而制備出具有斷裂韌性高達(dá)529.03J/m2的高韌性水凝膠［57］。最新的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠研究進(jìn)展表明，使用多面體形貌半硅氧烷可以增加聚乙二醇水凝膠網(wǎng)絡(luò)均一性。納米級(jí)硬質(zhì)的半硅氧烷網(wǎng)絡(luò)有利于能量耗散而長(zhǎng)鏈聚乙二醇物理纏結(jié)有利于增強(qiáng)韌性，所得到的水凝膠可產(chǎn)生6531kJ/m3的韌性和高達(dá)9455%的斷裂伸長(zhǎng)率［58］。

2.4" 疲勞閾值

在實(shí)際應(yīng)用中，水凝膠可能會(huì)經(jīng)歷多次持續(xù)的拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)等力學(xué)作用，這些循環(huán)負(fù)載可能導(dǎo)致材料逐漸疲勞損傷和失效。因此，研究水凝膠材料的疲勞性能對(duì)于評(píng)估其可靠性和壽命具有重要意義。水凝膠的疲勞性能指的是其在循環(huán)加載卸載下的耐久性。常用疲勞閾值來(lái)表征水凝膠在循環(huán)載荷下對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，其定義為在無(wú)限循環(huán)載荷作用下疲勞裂紋擴(kuò)展的最小斷裂能。疲勞閾值ΓFT表達(dá)式為

ΓFT=Gc（dc/dN→0）（4）

式中：G為每次循環(huán)下驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的能量釋放率；Gc為無(wú)限循環(huán)下驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的最小能量釋放率；c為未變形狀態(tài)下的裂紋長(zhǎng)度；N為循環(huán)次數(shù)；dc/dN為每次循環(huán)下的裂紋擴(kuò)展量。

提高水凝膠的抗疲勞性能有助于提升水凝膠的耐用性，其基本原理是讓具有高本征斷裂能的物質(zhì)去阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展。這種物質(zhì)包括納米晶域、納米/微米纖維、微相分離和復(fù)合材料等。

納米晶域是一種具有高本征斷裂能的物質(zhì)，破壞單根納米晶域鏈所需的能量比斷裂同一高分子鏈所需的能量高出數(shù)倍。LIU等［59］通過(guò)調(diào)整聚乙烯醇水凝膠的結(jié)晶度來(lái)分析其對(duì)疲勞閾值的影響，結(jié)果表明，當(dāng)將聚乙烯醇水凝膠的結(jié)晶度從0.2wt%提高到18.9wt%，其疲勞閾值從10J/m2提高到1000J/m2，達(dá)到軟骨等生物抗疲勞水凝膠的水平。

與納米晶域類似，納/微米纖維中成束的聚合物鏈協(xié)同伸長(zhǎng)和硬化所需要的能量，比破壞對(duì)應(yīng)高分子鏈更多。鎖志剛院士團(tuán)隊(duì)展開了對(duì)水凝膠疲勞斷裂的研究［60］，通過(guò)聚丙烯酰胺水凝膠作為模型進(jìn)行了單調(diào)、靜態(tài)和循環(huán)載荷，并觀察了3種類型的斷裂行為：快速斷裂、延遲斷裂和疲勞斷裂。在快速斷裂的臨界載荷以下斷裂能為56.8J/m2，完成了對(duì)Lake-Thomas理論假設(shè)疲勞斷裂能50J/m2的修正［61］。近期，XUE等［62］受生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)提出了一種由皮科纖維組成的分層結(jié)構(gòu)，通過(guò)交聯(lián)這些纖維，所得水凝膠顯示出高機(jī)械強(qiáng)度（斷裂應(yīng)力～4.1MPa）、超高韌性（斷裂能～25.3kJ/m2）、優(yōu)異的抗疲勞性（疲勞閾值～424J/m2）和幾乎100%的機(jī)械恢復(fù)率。

2.5" 黏接強(qiáng)度

除了上述的水凝膠自身的力學(xué)性能之外，水凝膠在其他材料上牢固黏接也能為其在實(shí)際應(yīng)用中提供更多的可能性和應(yīng)用潛力。其中黏接強(qiáng)度常用于評(píng)估水凝膠在其他界面上的黏附程度，其定義為在材料未發(fā)生形變的狀態(tài)下，沿黏接界面單位面積上傳播裂紋所需的能量。黏接強(qiáng)度Γ inter表達(dá)式為

Γinter=Gc0=-dUdA（5）

式中：U為體系總勢(shì)能；A為未變形時(shí)裂紋面積；Gc0為驅(qū)動(dòng)界面裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率。

水凝膠和黏接強(qiáng)度相關(guān)的失效模式有兩種：①內(nèi)聚失效發(fā)生在水凝膠牢固地結(jié)合在基材上的情況，由于裂紋在材料中擴(kuò)展使得水凝膠的斷裂韌性構(gòu)成了黏接強(qiáng)度的上限；②黏合失效發(fā)生在水凝膠輕微結(jié)合在基材上的情況，水凝膠裂紋沿著界面擴(kuò)展導(dǎo)致黏接強(qiáng)度低于水凝膠的斷裂韌性。針對(duì)此兩種失效形式，提高水凝膠黏接強(qiáng)度的方法主要是增強(qiáng)水凝膠基體韌性和實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度界面連接。增強(qiáng)水凝膠韌性已在前文中提出，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度界面連接的方法有：共價(jià)鍵、高強(qiáng)物理交聯(lián)、連接高分子和機(jī)械互鎖等。在界面處引入共價(jià)鍵已被廣泛用于提高水凝膠黏接強(qiáng)度，常用的共價(jià)鍵包括碳-碳鍵、碳-氮鍵、碳-氧鍵和硅-氧鍵。WALIA等［63］通過(guò)浸沒等離子注入，在基底中引入自由基，與丙烯酰胺水凝膠形成碳-碳鍵和碳-氧鍵，使黏接強(qiáng)度超過(guò)300N/m。包括晶域、玻璃結(jié)節(jié)和高密度物理鍵等多種強(qiáng)物理交聯(lián)也可以將水凝膠牢固地黏附在基材上。SHIN等［64］利用親水性丙烯酸、疏水性2-甲氧基乙基丙烯酸酯和丙烯酸腺嘌呤在水和二甲基亞砜中制備了黏合凝膠，通過(guò)基于金屬絡(luò)合、氫鍵和疏水等多種物理相互作用，提高了水凝膠與基底的黏接強(qiáng)度（400N/m）。連接高分子作為中間層分別與兩種材料高強(qiáng)度連接來(lái)實(shí)現(xiàn)高黏接強(qiáng)度，LIN等［65］提出拓?fù)漯じ礁拍?，選擇殼聚糖、藻酸鹽、纖維素等作為連接高分子，成功將水凝膠黏合到各種豬組織（肝臟、心臟、動(dòng)脈、皮膚和胃）上，并通過(guò)調(diào)整pH值實(shí)現(xiàn)水凝膠的黏附和移除，最后將基材的表面圖案化或粗糙化，使基材與水凝膠實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，黏接強(qiáng)度高達(dá)10000N/m。近期YU等［66］開發(fā)了一種可以原位形成的黏性序貫交聯(lián)纖維蛋白膠，可以增強(qiáng)黏附性和對(duì)血液覆蓋組織的耐久性。剪切強(qiáng)度達(dá)到38kPa，黏接強(qiáng)度達(dá)到60J/m2，優(yōu)于商業(yè)止血?jiǎng)┖兔髂z甲基丙烯酰，并驗(yàn)證了其在臨床止血膠黏劑方面的潛力。

2.6 "界面疲勞閾值

水凝膠黏接在其他材料界面上時(shí)，在長(zhǎng)期循環(huán)載荷作用下，其黏接界面處也容易發(fā)生疲勞破壞，影響水凝膠在應(yīng)用時(shí)的耐用性和可靠性。在評(píng)估水凝膠界面疲勞特性時(shí)常用界面疲勞閾值表征水凝膠在循環(huán)載荷作用下，抵抗界面疲勞裂紋擴(kuò)展的能力。其定義為在無(wú)限載荷循環(huán)下發(fā)生界面裂紋擴(kuò)展的最小斷裂能。與疲勞閾值類似，界面疲勞閾值ΓinterFT表達(dá)公式為

ΓinterFT=Gc（dc/dN→0）（6）

式中：G為在每次循環(huán)下驅(qū)動(dòng)界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率；Gc為在無(wú)限載荷循環(huán)下發(fā)生界面裂紋擴(kuò)展的最小能量釋放速率；c為長(zhǎng)度；N為施加載荷的循環(huán)次數(shù)；dc/dN給出每個(gè)循環(huán)的裂紋擴(kuò)展量。

設(shè)計(jì)抗疲勞黏接水凝膠需要滿足兩個(gè)條件：①水凝膠本身需要包含高本征斷裂能的物質(zhì)以抵抗疲勞裂紋在材料內(nèi)部的擴(kuò)展；②黏接界面需要具有高本征斷裂能的物質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)力固定以抵抗疲勞裂紋在界面的擴(kuò)展?？蛊谒z黏接的設(shè)計(jì)原理是在界面添加具有高本征斷裂能的物質(zhì)，具體可以通過(guò)高密度氫鍵、共價(jià)鍵以及機(jī)械互鎖等方法實(shí)現(xiàn)。KUROKAWA等［67］通過(guò)退火處理將聚乙烯醇水凝膠中產(chǎn)生的納米晶域依靠高密度氫鍵固定在固體基底上，包括玻璃、陶瓷、金屬和彈性體，使水凝膠和基底之間具有顯著的抗疲勞附著力，界面疲勞閾值800J/m2，與肌腱/韌帶/軟骨-骨界面的疲勞閾值相當(dāng)。此外，在多孔、粗糙或有圖案的基底上固化抗疲勞水凝膠的前體溶液可以導(dǎo)致機(jī)械互鎖，從而可以在水凝膠-基底界面上牢固地結(jié)合。LIU等［68］結(jié)合有限元仿真工具，研究了導(dǎo)電水凝膠界面力電學(xué)疲勞損傷行為，通過(guò)對(duì)水凝膠樣品多次加載，使得界面疲勞閾值提升到了800J/m2，并完成了30000次加載，研究表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了界面疲勞閾值與外部加載速率和水凝膠自身?yè)p傷密切相關(guān)。WANG等［69］的最新研究成果表明，通過(guò)聚陽(yáng)離子增強(qiáng)策略增加聚丙烯酸水凝膠中硅氧鍵密度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)硅的強(qiáng)韌黏合效果，包括顯著的剪切強(qiáng)度

［（161±49）kPa］、界面韌性［（198±27）J/m2］和顯著的循環(huán)拉伸耐受性（10000次循環(huán)，200%應(yīng)變），這種全新的策略可提供多種功能，包括水下黏附、潤(rùn)滑和藥物輸送。

本章對(duì)水凝膠的6種力學(xué)特征和強(qiáng)化方式進(jìn)行了全面總結(jié)，詳細(xì)闡述了不同水凝膠材料組分在內(nèi)部的化學(xué)物理作用，展示了其獨(dú)特的力學(xué)性能及前沿研究中的強(qiáng)化方式。在考慮特定強(qiáng)化方式時(shí)，需充分考慮其對(duì)其他力學(xué)性能的潛在影響，比如通過(guò)增加雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)密度以提高韌性可能會(huì)犧牲其彈性。因此，根據(jù)面臨的應(yīng)用場(chǎng)景選擇最優(yōu)處理方式至關(guān)重要。

3" 水凝膠應(yīng)用場(chǎng)景與展望

3.1" 用于生物醫(yī)療領(lǐng)域的水凝膠

基于天然聚合物的水凝膠所具有的可再生性、良好的生物相容性、體內(nèi)可降解性、無(wú)毒性和力學(xué)性能可調(diào)性等特點(diǎn)。通過(guò)結(jié)合第2章中多種力學(xué)性能強(qiáng)化方式，這些天然聚合物水凝膠能夠模擬各種身體組織和器官的特性，使得其在醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍涵蓋藥物輸送、傷口愈合、組織工程、醫(yī)療器械以及植入物制造等多個(gè)方面。天然聚合物水凝膠力學(xué)性能的不斷優(yōu)化為提高治療效果、減少患者不適以及促進(jìn)醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持（圖3）。

3.1.1" 生物醫(yī)藥和植入物

患者術(shù)后的植入物通常直接與血液循環(huán)接觸，這增加了損害身體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)：①許多心血管裝置表面容易生長(zhǎng)菌落，患者需要額外服用免疫抑制劑；②與血液直接接觸的設(shè)備對(duì)血小板產(chǎn)生刺激，嚴(yán)重情況可能引發(fā)致命的血液凝固級(jí)聯(lián)反應(yīng)；③醫(yī)療器械的異物反應(yīng)如植入部位嚴(yán)重炎癥、不適、腫脹在心血管治療中相當(dāng)常見［70-71］。天然聚合物水凝膠優(yōu)異的生物相容性以及可降解性、高含水量和柔軟性等特點(diǎn)，其在生物醫(yī)療領(lǐng)域受到了更多的關(guān)注，作為傷口敷料保護(hù)創(chuàng)面，通過(guò)控制交聯(lián)密度將藥物包埋在水凝膠內(nèi)部以在病變區(qū)釋放。但是天然聚合物水凝膠也存在強(qiáng)度、低韌性和黏附效果差等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。研究者通過(guò)物理化學(xué)交聯(lián)或形成互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠提高水凝膠韌性、同時(shí)引入化學(xué)基團(tuán)與接觸表面形成范德華力、氫鍵、離子鍵等作用提高了水凝膠的黏附性能。研究人員研發(fā)的具有內(nèi)在抗菌作用的多糖基水凝膠涂料通過(guò)涂敷在設(shè)備上，有效防止了細(xì)菌生物污染，并且與紗布止血時(shí)間216.25s相比，纖維素水凝膠止血時(shí)間只有105.25s，達(dá)到了促進(jìn)血液凝固，減少失血量的功效［72］。更多報(bào)道表明，蛋白質(zhì)基水凝膠已被用作醫(yī)療器械和植入物的涂層或薄膜，以改善生物相容性，形成保護(hù)層或使藥物洗脫。例如，明膠基水凝膠涂層可以幫助減少移植物抗宿主病，防止引發(fā)嚴(yán)重的免疫反應(yīng)和異物反應(yīng)，體外對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別為99.1%和93.9%，后續(xù)對(duì)植入心臟起搏器的家兔體內(nèi)觀察表明：蛋白質(zhì)基水凝膠可以有效防止細(xì)菌感染和生長(zhǎng)［73］。未來(lái)的研究將匯聚在雙網(wǎng)絡(luò)以及多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化脆性單網(wǎng)絡(luò)天然聚合物水凝膠體系以增加植入水凝膠的使用壽命，用于精準(zhǔn)持久地控制體內(nèi)組織生長(zhǎng)和修復(fù)。

3.1.2" 組織工程

組織工程的概念始于1988年，旨在應(yīng)對(duì)器官缺乏和組織再生的挑戰(zhàn)，其目標(biāo)是開發(fā)生物替代品，以恢復(fù)、維持或改善組織或器官的功能［74］。水凝膠在組織工程中得到廣泛應(yīng)用，具有生物相容性、低免疫原性和生物可降解性等優(yōu)勢(shì)［75］。

某些含有鐵磁性物質(zhì)的水凝膠作為三維結(jié)構(gòu)支架，引導(dǎo)細(xì)胞并促進(jìn)組織發(fā)育，例如肝臟、心臟、神經(jīng)、軟骨、骨骼、皮膚和肌肉等，通過(guò)在水凝膠中添加四氧化三鐵納米顆粒使用500～800mT磁場(chǎng)強(qiáng)度成功誘導(dǎo)了軟骨組織分化［76］。

通過(guò)形成雙網(wǎng)絡(luò)、離子交聯(lián)或引入納米片狀材料或納米顆粒、增強(qiáng)軟骨材料的韌性、斷裂強(qiáng)度、抗疲勞等性能。纖維素水凝膠通過(guò)提供多個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，以實(shí)現(xiàn)理想的力學(xué)性能和適應(yīng)特定降解速率。同時(shí)，纖維素水凝膠也為活性分子和細(xì)胞穩(wěn)定封裝提供了良好的微環(huán)境。近期，基于纖維素的微凝膠被研究為更有效的細(xì)胞遞送替代品，其大表面積與體積比可更有效地促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換，改善細(xì)胞-基質(zhì)相互作用。未來(lái)的研究方向包括開發(fā)適用于3D打印特定器官的特殊“水凝膠墨水”［77］。隨著生物墨水和打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)將3D打印的器官大規(guī)模移植到人體的目標(biāo)，從而解決器官供體短缺問題。生物相容性和可降解的天然聚合物水凝膠由于過(guò)度溶脹和離子交換而表現(xiàn)出較差的生理穩(wěn)定性和快速衰減的力學(xué)性能，而具有良好力學(xué)性能的合成聚合物水凝膠通常表現(xiàn)出較差的生物活性和對(duì)降解曲線的控制有限。因此，開發(fā)具有可控降解、優(yōu)異生物相容性和穩(wěn)定力學(xué)性能的水凝膠系統(tǒng)仍然是實(shí)現(xiàn)水凝膠在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要阻礙。

3.2" 用于電子器件領(lǐng)域的水凝膠

合成聚合物水凝膠因其卓越的力學(xué)性能已被證明優(yōu)于傳統(tǒng)電子元件，其楊氏模量與生物組織相近，這種相似性有助于最大限度地減少與穿戴應(yīng)用產(chǎn)生的機(jī)械不匹配。在過(guò)去幾十年里，合成聚合物水凝膠已經(jīng)演變?yōu)橐环N多功能創(chuàng)新材料，廣泛應(yīng)用于傳感器、制動(dòng)器等領(lǐng)域，其獨(dú)特力學(xué)性質(zhì)為電子元件領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和可能性（圖4）。

3.2.1" 傳感器

傳感器是一種將接收到輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可理解與解釋的輸出信號(hào)的設(shè)備，以其對(duì)外部刺激的精確實(shí)時(shí)感知能力在人機(jī)交互、生理信號(hào)檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)主導(dǎo)地位［78］。合成聚合物水凝膠傳感器，依賴于聚合物鏈和網(wǎng)絡(luò)分子水平的變化，已成為傳統(tǒng)剛性傳感器的創(chuàng)新替代方案?；谒z的傳感器測(cè)量原理是，當(dāng)水凝膠感知到外部環(huán)境輸入時(shí)，通過(guò)化學(xué)擴(kuò)散或物理場(chǎng)的化學(xué)和物理刺激，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)為可測(cè)量的幾何、光學(xué)、生物和電響應(yīng)的形式輸出。王杰等［79］以聚乙烯醇為原料制造的水凝膠應(yīng)變傳感器電導(dǎo)率高達(dá)7.5S/m，最高檢測(cè)電流可達(dá)9.029mA，靈敏度高達(dá)6.796，能夠完成對(duì)人體各種微小運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確測(cè)試。這種設(shè)計(jì)使得水凝膠傳感器能夠更靈敏地響應(yīng)外部刺激，并將其轉(zhuǎn)化為可讀取的信息，為傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種創(chuàng)新的解決方案。理想的高品質(zhì)水凝膠傳感器必須具有耐污染（尤其是惡劣環(huán)境）、良好的保濕性和抗腫脹性、皮膚親和性以及優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能。在應(yīng)用方面，可以滿足生活需要的智能數(shù)據(jù)處理、方便強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和安全保障。未來(lái)，傳感器將面向系統(tǒng)化、創(chuàng)新化、微尺度化、集成化、智能化和產(chǎn)業(yè)化不斷發(fā)展。

3.2.2" 制動(dòng)器

制動(dòng)器是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以產(chǎn)生力和運(yùn)動(dòng)的裝置。典型情況下，純合成聚合物水凝膠，水凝膠與納米材料復(fù)合物對(duì)熱、電、pH或磁場(chǎng)等外部刺激做出反應(yīng)，產(chǎn)生可逆的變形，例如彎曲、折疊和扭轉(zhuǎn)，在制動(dòng)器領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景［80］。

實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的兩種主要方法是：①施加外部非均勻刺激；②設(shè)計(jì)內(nèi)部各向異性結(jié)構(gòu)。鑒于難以準(zhǔn)確施加不均勻的外部刺激，制造具有各向異性結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變形的方法越發(fā)受到研究人員青睞。柔性水凝膠制動(dòng)器或軟體機(jī)器人相較于堅(jiān)硬的金屬手爪更適用于處理柔性組織以及與人協(xié)同工作，而通過(guò)引入雙網(wǎng)絡(luò)或提高交聯(lián)密度構(gòu)建的堅(jiān)韌和抗疲勞的水凝膠能夠在循環(huán)驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)重復(fù)和大應(yīng)變變形，有利于其實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用。例如，張新添［81］設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器，就利用丙烯酰胺和聚（N-異丙基丙烯酰胺）水凝膠。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，液態(tài)金屬?gòu)椈勺鳛殡娮杓訜崞鳎ㄟ^(guò)電流加熱使聚（N-異丙基丙烯酰胺）水凝膠局部收縮，產(chǎn)生的彎矩力實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器的彎曲運(yùn)動(dòng)，在去離子水和丙酮溶液中實(shí)現(xiàn)了60 °/min的變形速度。這些創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)展現(xiàn)了水凝膠在制動(dòng)器領(lǐng)域無(wú)與倫比的潛力。盡管已經(jīng)開發(fā)出受溫度、pH值或離子強(qiáng)度控制的流體裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物的受控釋放，但大多數(shù)基于溶脹/消溶的水凝膠制動(dòng)器都非常緩慢，且功率轉(zhuǎn)換效率和輸出較低。未來(lái)將進(jìn)一步提高水凝膠制動(dòng)器的響應(yīng)速度及功率轉(zhuǎn)換能力，開發(fā)更加類似肌肉組織的智能響應(yīng)水凝膠。

4" 結(jié)束語(yǔ)

水凝膠作為一種備受矚目的軟濕材料，以其卓越的柔韌性、彈性和自愈性等性能而在各個(gè)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。然而，目前水凝膠在面臨沖擊、大變形和循環(huán)加載等特殊環(huán)境下的應(yīng)用仍存在一定局限。為解決這些問題，研究人員運(yùn)用多種方法和策略，旨在設(shè)計(jì)出具備卓越強(qiáng)度的水凝膠。

本研究系統(tǒng)總結(jié)了構(gòu)建高強(qiáng)度水凝膠的策略，包括纖維素基水凝膠、蛋白質(zhì)基水凝膠、多糖基水凝膠、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙二醇等多種材料。為了提升水凝膠的力學(xué)性能，著重從抗拉強(qiáng)度、彈性、韌性、疲勞閾值、黏接強(qiáng)度、界面疲勞閾值等多個(gè)角度介紹高強(qiáng)度水凝膠網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)化方法。接著詳細(xì)介紹了強(qiáng)化水凝膠在生物醫(yī)藥和植入物、組織工程、傳感器、制動(dòng)器等領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用。盡管科學(xué)家們多年來(lái)一直在努力研究水凝膠的機(jī)械強(qiáng)化，取得了一些顯著進(jìn)展，但要制造出具有多功能的高強(qiáng)度水凝膠仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

未來(lái)的研究方向可能包括更深入地探討水凝膠在特定條件下的增強(qiáng)、增韌和功能機(jī)制，例如精確制備不同網(wǎng)絡(luò)和雙網(wǎng)絡(luò)斷裂機(jī)制，以及進(jìn)一步分析抗凍性能。最終，通過(guò)本綜述，期望能夠促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的研究人員加強(qiáng)科學(xué)合作，推動(dòng)水凝膠學(xué)科從科學(xué)實(shí)驗(yàn)向?qū)嶋H應(yīng)用的順利轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

［1］" 楊振，楊連利.水凝膠的研究進(jìn)展及發(fā)展新動(dòng)向［J］.化工中間體，2007（1）：5-10.

YANG Zhen，YANG Lianli.Research status and prospective development of hydrogel［J］.Chemical intermediate，2007（1）：5-10（in Chinese）.

［2］" 楊連利，梁國(guó)正.水凝膠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究及應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（2）：112-115.

YANG Lianli，LIANG Guozheng.Hot-spot research and application of hydrogel in biomedicine field［J］.Materials reports，2007，21（2）：112-115（in Chinese）.

［3］" TAYLOR D，OMARA N，RYAN E，et al.The fracture toughness of soft tissues［J］.Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2012，6：139-147.

［4］" HAN L，F(xiàn)RANK E H，GREENE J J，et al.Time-dependent nanomechanics of cartilage［J］.Biophysical journal，2011，100（7）：1846-1854.

［5］" 李程鵬.仿關(guān)節(jié)軟骨的低摩/高韌水凝膠的制備及其性能研究［D］.太原：中北大學(xué)，2023.

［6］" 王賽楠，王曉菲，張莉.甲基丙烯酰明膠水凝膠作為細(xì)胞三維培養(yǎng)支架在骨組織工程中的應(yīng)用［J］.中國(guó)組織工程研究，2024，28（22）：3576-3582.

WANG Sainan，WANG Xiaofei，ZHANG Li.Application of gelatin methacryloyl as a three-dimensional cell culture scaffold in bone tissue engineering［J］.Chinese journal of tissue engineering research，2024，28（22）：3576-3582（in Chinese）.

［7］" 田頌.高強(qiáng)、高韌性多功能水凝膠的制備與性能研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2023.

［8］" 蹇均宇，謝宜彤，高士帥，等.高強(qiáng)度纖維素雙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠制備及其應(yīng)變感應(yīng)特性研究［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2023，43（3）：25-33.

JIAN Junyu，XIE Yitong，GAO Shishuai，et al.Preparation and strain induction characterization of high strength cellulose dual-network conductive hydrogel［J］.Chemistry and industry of forest products，2023，43（3）：25-33（in Chinese）.

［9］" 張啟，駱蘄，黃聰，等.LiCl-PAM/SA-Ca2+雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠應(yīng)變傳感器的制備與性能［J］.湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，45（1）：1-10.

ZHANG Qi，LUO Qi，HUANG Cong，et al.Preparation of LiCl-PAM/SA-Ca2+ double network hydrogel and its application in strain sensor［J］.Journal of Hubei University（natural science），2023，45（1）：1-10（in Chinese）.

［10］LIN S T，LIU J，LIU X Y，et al.Muscle-like fatigue-resistant hydrogels by mechanical training［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2019，116（21）：10244-10249.

［11］郭建強(qiáng)，曹正，符浩，等.基于預(yù)拉伸工藝的高強(qiáng)韌和耐磨離子導(dǎo)電水凝膠制備及其性能分析［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（4）：483-492.

GUO Jianqiang，CAO Zheng，F(xiàn)U Hao，et al.Preparation and properties of ionic conductive hydrogels with high strength，toughness and wear resistance based on pre-tensile process［J］.Journal of Zhejiang Sci-tech University（natural sciences），2023，49（4）：483-492（in Chinese）.

［12］鄒少爽，楊朋，劉濤.高力學(xué)性能水凝膠研究進(jìn)展［J］.聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，37（1）：76-84.

ZOU Shaoshuang，YANG Peng，LIU Tao.Research progress of hydrogels with high mechanical properties［J］.Journal of Liaocheng University（natural science edition），2024，37（1）：76-84（in Chinese）.

［13］劉瑞雪，周騰，樊曉敏，等.明膠基復(fù)合水凝膠研究進(jìn)展［J］.輕工學(xué)報(bào)，2018，33（6）：42-54.

LIU Ruixue，ZHOU Teng，F(xiàn)AN Xiaomin，et al.Research progress in gelatin-based composite hydrogel［J］.Journal of light industry，2018，33（6）：42-54（in Chinese）.

［14］HUEBSCH N，ARANY P R，MAO A S，et al.Harnessing traction-mediated manipulation of the cell/matrix interface to control stem-cell fate［J］.Nature materials，2010，9（6）：518-526.

［15］CHAUDHURI O，GU L，KLUMPERS D，et al.Hydrogels with tunable stress relaxation regulate stem cell fate and activity［J］.Nature materials，2016，15（3）：326-334.

［16］蔡紫煊，張斌，姜麗陽(yáng)，等.智能響應(yīng)型水凝膠藥物控釋體系及其應(yīng)用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2019，31（12）：1653-1668.

CAI Zixuan，ZHANG Bin，JIANG Liyang，et al.Intelligent-responsive hydrogels-based controlled drug release systems and its applications［J］.Progress in chemistry，2019，31（12）：1653-1668（in Chinese）.

［17］霍丹群，方可敬，侯長(zhǎng)軍，等.水凝膠微流控芯片的快速加工及在細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（6）：1327-1332.

HUO Danqun，F(xiàn)ANG Kejing，HOU Changjun，et al.Rapid fabrication of hydrogel microfluidic chip and its application for cell metabolites detection［J］.Chemical journal of Chinese universities，2013，34（6）：1327-1332（in Chinese）.

［18］劉根起，趙曉鵬，程永清，等.電場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)通報(bào)，2006，69（12）：952.

LIU Genqi，ZHAO Xiaopeng，CHENG Yongqing，et al.Progresses of electric field responsive hydrogel［J］.Chemistry，2006，69（12）：952（in Chinese）.

［19］夏莉.具有大幅度雙向彎曲性能的雙層水凝膠柔性執(zhí)行器的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2021.

［20］翟茂林，哈鴻飛.水凝膠的合成、性質(zhì)及應(yīng)用［J］.大學(xué)化學(xué)，2001，16（5）：22-27.

ZHAI Maolin，HA Hongfei.Synthesis，properties and applications of hydrogels［J］.University chemistry，2001，16（5）：22-27（in Chinese）.

［21］ZHANG Y S，KHADEMHOSSEINI A.Advances in engineering hydrogels［J］.Science，2017，356（6337）：eaaf3627.

［22］PEPPAS N A，HILT J Z，KHADEMHOSSEINI A，et al.Hydrogels in biology and medicine：from molecular principles to bionanotechnology［J］.Advanced materials，2006，18（11）：1345-1360.

［23］HABIBI Y，LUCIA L A，ROJAS O J.Cellulose nanocrystals：chemistry，self-assembly，and applications［J］.Chemical reviews，2010，110（6）：3479-3500.

［24］ZHANG H，WU J，ZHANG J，et al.1-Allyl-3-methylimidazolium chloride room temperature ionic liquid：a new and powerful nonderivatizing solvent for cellulose［J］.Macromolecules，2005，38（20）：8272-8277.

［25］崔燁璇，仝雅娜，劉偉東，等.纖維素基水凝膠的構(gòu)建及其應(yīng)用［J］.材料工程，2023，51（9）：37-51.

CUI Yexuan，TONG Yana，LIU Weidong，et al.Construction and application of cellulose-based hydrogel［J］.Journal of materials engineering，2023，51（9）：37-51（in Chinese）.

［26］董麗攀，李政，夏文，等.細(xì)菌纖維素復(fù)合材料的研究新進(jìn)展［J］.材料科學(xué)與工藝，2018，26（1）：88-96.

DONG Lipan，LI Zheng，XIA Wen，et al.The new research progress on composite material of bacterial cellulose［J］.Materials science and technology，2018，26（1）：88-96（in Chinese）.

［27］TAVAKOLIAN M，MUNGUIA-LOPEZ J G，VALIEI A，et al.Highly absorbent antibacterial and biofilm-disrupting hydrogels from cellulose for wound dressing applications［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2020，12（36）：39991-40001.

［28］MAO C Y，XIANG Y M，LIU X M，et al.Photo-inspired antibacterial activity and wound healing acceleration by hydrogel embedded with Ag/Ag@AgCl/ZnO nanostructures［J］.ACS Nano，2017，11（9）：9010-9021.

［29］陳名揚(yáng)，沈勇.植物纖維素基水凝膠的制備以及對(duì)亞甲基藍(lán)染料吸附的應(yīng)用進(jìn)展［J］.化工新型材料，2021，49（7）：47-51.

CHEN Mingyang，SHEN Yong.Preparation of plant cellulose-based hydrogel and removal of methylene blue dye from aqueous solution［J］.New chemical materials，2021，49（7）：47-51（in Chinese）.

［30］蘇憲浩，薛浩，宋曉璐.智能水凝膠敷料促進(jìn)慢性傷口愈合的研究進(jìn)展［J］.化工新型材料，2023，51（增刊2）：150-154.

SU Xianhao，XUE Hao，SONG Xiaolu.Research progress of smart hydrogel dressing in promoting chronic wound healing［J］.New chemical materials，2023，51（S2）：150-154（in Chinese）.

［31］馬俊杰，劉晨光.用于糖尿病傷口治療的水凝膠研究進(jìn)展［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（6）：795-802.

MA Junjie，LIU Chenguang.The research progress of hydrogels for diabetic wound treatment［J］.Journal of Zhejiang Sci-tech University（natural sciences），2023，49（6）：795-802（in Chinese）.

［32］DARE E V，GRIFFITH M，POITRAS P，et al.Genipin cross-linked fibrin hydrogels for in vitro human articular cartilage tissue-engineered regeneration［J］.Cells tissues organs，2009，190（6）：313-325.

［33］張悅，饒婷，吳美玲，等.絲素蛋白水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2018，33（3）：32-38.

ZHANG Yue，RAO Ting，WU Meiling，et al.Progress in application of silk fibroin hydrogel in biomedicine［J］.Modern silk science amp; technology，2018，33（3）：32-38（in Chinese）.

［34］LI Z K，ZHANG S M，CHEN Y H，et al.Gelatin methacryloyl-based tactile sensors for medical wearables［J］.Advanced functional materials，2020，30（49）：2003601.

［35］PAUL A，HASAN A，KINDI H A，et al.Injectable graphene oxide/hydrogel-based angiogenic gene delivery system for vasculogenesis and cardiac repair［J］.ACS Nano，2014，8（8）：8050-8062.

［36］NAGARAJAN S，BELAID H，POCHAT-BOHATIER C，et al.Design of boron nitride/gelatin electrospun nanofibers for bone tissue engineering［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2017，9（39）：33695-33706.

［37］DEY K，AGNELLI S，BORSANI E，et al.Degradation-dependent stress relaxing semi-interpenetrating networks of hydroxyethyl cellulose in gelatin-PEG hydrogel with good mechanical stability and reversibility［J］.Gels，2021，7（4）：277.

［38］湯桂平，嚴(yán)倩，劉潔，等.3D打印瓊脂糖和海藻酸鈉復(fù)合水凝膠組織與性能研究［J］.材料工程，2021，49（5）：66-74.

TANG Guiping，YAN Qian，LIU Jie，et al.Microstructure and properties of 3D printed agarose and sodium alginate composite hydrogel［J］.Journal of materials engineering，2021，49（5）：66-74（in Chinese）.

［39］李月生，饒璐，劉東亮，等.殼聚糖基水凝膠的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，43（4）：150-156.

LI Yuesheng，RAO Lu，LIU Dongliang，et al.The preparation and progress in application research of chitosan-based hydrogel［J］.Journal of Hubei University of Science and Technology，2023，43（4）：150-156（in Chinese）.

［40］

ELLIOTT J E，MACDONALD M，NIE J，et al.Structure and swelling of poly（acrylic acid） hydrogels：effect of pH，ionic strength，and dilution on the crosslinked polymer structure［J］.Polymer，2004，45（5）：1503-1510.

［41］ZHAO L，HUANG J H，ZHANG Y C，et al.Programmable and bidirectional bending of soft actuators based on Janus structure with sticky tough PAA-clay hydrogel［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2017，9（13）：11866-11873.

［42］LIN F C，LU X C，WANG Z，et al.In situ polymerization approach to cellulose-polyacrylamide interpenetrating network hydrogel with high strength and pH-responsive properties［J］.Cellulose，2019，26（3）：1825-1839.

［43］薛禹，孫俊卓，尚曉煜，等.聚乙烯醇水凝膠的研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2023，35（2）：47-50.

XUE Yu，SUN Junzhuo，SHANG Xiaoyu，et al.Research progress of polyvinyl alcohol hydrogel［J］.Modern plastics processing and applications，2023，35（2）：47-50（in Chinese）.

［44］WU Y C，ZHANG Y，WU H D，et al.Solvent-exchange-assisted wet annealing：a new strategy for superstrong，tough，stretchable，and anti-fatigue hydrogels［J］.Advanced materials，2023，35（15）：e2210624.

［45］WANG Z W，HECK M，YANG W W，et al.Tough PEGgels by in situ phase separation for 4D printing［J］.Advanced functional materials，2023：2300947.

［46］DONG X Y，GUO X，LIU Q Y，et al.Strong and tough conductive organo-hydrogels via freeze-casting assisted solution substitution［J］.Advanced functional materials，2022，32（31）：2203610.

［47］段博，涂虎，張俐娜.可持續(xù)高分子-纖維素新材料研究進(jìn)展［J］.高分子學(xué)報(bào)，2020，51（1）：66-86.

DUAN Bo，TU Hu，ZHANG Lina.Material research progress of the sustainable polymer-cellulose［J］.Acta polymerica Sinica，2020，51（1）：66-86（in Chinese）.

［48］ZHANG S T，WEI D F，XU X，et al.Transparent，high-strength，and antimicrobial polyvinyl alcohol/boric acid/poly hexamethylene guanidine hydrochloride films［J］.Coatings，2023，13（6）：1115.

［49］LIN S T，ZHOU Y H，ZHAO X H.Designing extremely resilient and tough hydrogels via delayed dissipation［J］.Extreme mechanics letters，2014，1：70-75.

［50］WEI K C，CHEN X Y，LI R，et al.Multivalent host-guest hydrogels as fatigue-resistant 3D matrix for excessive mechanical stimulation of encapsulated cells［J］.Chemistry of materials，2017，29（20）：8604-8610.

［51］APKIN YURTSEVER M，GLDA G.TiO2，CeO2，and TiO2-CeO2 nanoparticles incorporated 2.5D chitosan hydrogels：gelation behavior and cytocompatibility［J］.Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2023，146：106088.

［52］LE X X，LU W，ZHANG J W，et al.Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators［J］.Advanced science，2019，6（5）：1801584.

［53］LIANG Q D，XIA X J，SUN X G，et al.Highly stretchable hydrogels as wearable and implantable sensors for recording physiological and brain neural signals［J］.Advanced science，2022，9（16）：e2201059.

［54］侯一凡.基于可逆共價(jià)交聯(lián)制備的可自愈合海藻酸水凝膠及pH響應(yīng)性研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2018.

［55］GONG J P，KATSUYAMA Y，KUROKAWA T，et al.Double-network hydrogels with extremely high mechanical strength［J］.Advanced materials，2003，15（14）：1155-1158.

［56］LANCET D，PECHT I.Spectroscopic and immunochemical studies with nitrobenzoxadiazolealanine，a fluorescent dinitrophenyl analog［J］.Biochemistry，1977，16（23）：5150-5157.

［57］YE D D，CHENG Q Y，ZHANG Q L，et al.Deformation drives alignment of nanofibers in framework for inducing anisotropic cellulose hydrogels with high toughness［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2017，9（49）：43154-43162.

［58］PRUKSAWAN S，LIM J W R，LEE Y L，et al.Enhancing hydrogel toughness by uniform cross-linking using modified polyhedral oligomeric silsesquioxane［J］.Communications materials，2023，4（1）：75.

［59］LIU X，ZHANG Q，DUAN L J，et al.Tough adhesion of nucleobase-tackifed gels in diverse solvents［J］.Advanced functional materials，2019，29（17）：1900450.

［60］TANG J D，LI J Y，VLASSAK J J，et al.Fatigue fracture of hydrogels［J］.Extreme mechanics letters，2017，10：24-31.

［61］LAKE G J，LINDLEY P B.The mechanical fatigue limit for rubber［J］.Journal of applied polymer science，1965，9（4）：1233-1251.

［62］XUE B，BASHIR Z，GUO Y C，et al.Strong，tough，rapid-recovery，and fatigue-resistant hydrogels made of picot peptide fibres［J］.Nature communications，2023，14（1）：2583.

［63］WALIA R，AKHAVAN B，KOSOBRODOVA E，et al.Hydrogel-solid hybrid materials for biomedical applications enabled by surface-embedded radicals［J］.Advanced functional materials，2020，30（38）：2004599.

［64］SHIN S R，BAE H，CHA J M，et al.Carbon nanotube reinforced hybrid microgels as scaffold materials for cell encapsulation［J］.ACS Nano，2012，6（1）：362-372.

［65］LIN S T，LIU X Y，LIU J，et al.Anti-fatigue-fracture hydrogels［J］.Science advances，2019，5（1）：eaau8528.

［66］YU L S，LIU Z D，TONG Z R，et al.Sequential-crosslinking fibrin glue for rapid and reinforced hemostasis［J］.Advanced science，2024，11（7）：e2308171.

［67］KUROKAWA T，F(xiàn)URUKAWA H，WANG W，et al.Formation of a strong hydrogel-porous solid interface via the double-network principle［J］.Acta biomaterialia，2010，6（4）：1353-1359.

［68］LIU J，LIN S T，LIU X Y，et al.Fatigue-resistant adhesion of hydrogels［J］.Nature communications，2020，11（1）：1071.

［69］WANG J，LI X Y，QIAN H L，et al.Robust，sprayable，and multifunctional hydrogel coating through a polycation reinforced （PCR） surface bridging strategy［J］.Advanced materials，2024，36（15）：e2310216.

［70］PRAKASHAN D，P R R，GANDHI S.A systematic review on the advanced techniques of wearable point-of-care devices and their futuristic applications［J］.Diagnostics，2023，13（5）：916.

［71］WEI W，MA Y Z，YAO X D，et al.Advanced hydrogels for the repair of cartilage defects and regeneration［J］.Bioactive materials，2021，6（4）：998-1011.

［72］WANG Z J，HU W K，DU Y Y，et al.Green gas-mediated cross-linking generates biomolecular hydrogels with enhanced strength and excellent hemostasis for wound healing［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2020，12（12）：13622-13633.

［73］LI Y Y，YU P，WEN J，et al.Nanozyme-based stretchable hydrogel of low hysteresis with antibacterial and antioxidant dual functions for closely fitting and wound healing in movable parts［J］.Advanced functional materials，2022，32（13）：2110720.

［74］BLACK J.1988 Western winter workshop on tissue engineering：granlibakken，Tahoe City，California，USA 26-29 February 1988［J］.Biomaterials，1988，9（4）：379.

［75］PARDO A，GMEZ-FLORIT M，BARBOSA S，et al.Magnetic nanocomposite hydrogels for tissue engineering：design concepts and remote actuation strategies to control cell fate［J］.ACS nano，2021，15（1）：175-209.

［76］FUHRER R，HOFMANN S，HILD N，et al.Pressureless mechanical induction of stem cell differentiation is dose and frequency dependent［J］.PLoS One，2013，8（11）：e81362.

［77］MOROZOVA S M，STATSENKO T G，RYABCHENKO E O，et al.Multicolored nanocolloidal hydrogel inks［J］.Advanced functional materials，2021，31（52）：2105470.

［78］WU Z X，YANG X，WU J.Conductive hydrogel-and organohydrogel-based stretchable sensors［J］.ACS applied materials amp; interfaces，2021，13（2）：2128-2144.

［79］王杰，李瑩，邵亮，等.聚乙烯醇/聚吡咯復(fù)合導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變傳感器的制備及性能［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（3）：929-936.

WANG Jie，LI Ying，SHAO Liang，et al.Preparation and properties of poly（vinyl alcohol）/polypyrrole composite conductive hydrogel strain sensor［J］.Chemical journal of Chinese universities，2021，42（3）：929-936（in Chinese）.

［80］LI X，CAI X B，GAO Y F，et al.Reversible bidirectional bending of hydrogel-based bilayer actuators［J］.Journal of materials chemistry b，2017，5（15）：2804-2812.

［81］張新添.玻璃纖維/水凝膠軟體驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)筑與變形性能研究［D］.上海：東華大學(xué)，2022.

（編輯" 黃崇亞" 張璐）