近日，合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士研究團(tuán)隊(duì)合作，在高強(qiáng)韌智能水凝膠材料領(lǐng)域取得系列重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Ultra-Tough Single-Network Hydrogels via the Synergy of Defect Elimination and Dual Crosslinking”和“Robust and Fast-Transforming Soft Microrobots Driven by Low Magnetic Field”為題，分別發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials 2025, 2417795；Advanced Materials 2025, 2505193）。論文的第一作者分別是化學(xué)與化工學(xué)院碩士生夏圓圓和博士生胡欽南，碩士生王圓圓，通訊作者為合肥工業(yè)大學(xué)秦海利副教授、從懷萍教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士。

水凝膠作為一種具有高含水量的軟材料，在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子器件、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。通過(guò)傳統(tǒng)自由基反應(yīng)制備的水凝膠普遍存在交聯(lián)點(diǎn)分布不均和大量懸垂鏈等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺陷，嚴(yán)重制約了材料的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。盡管引入犧牲性結(jié)構(gòu)/作用力可提升韌性，但往往伴隨著高滯后性，難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性與低滯后的統(tǒng)一。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“分子經(jīng)濟(jì)”策略，一方面，使用表面修飾乙烯基的二氧化硅納米顆粒作為納米交聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)了交聯(lián)點(diǎn)的單分散均勻分布，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)的空間均勻性。另一方面，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)合成了金納米顆粒負(fù)載光引發(fā)劑作為納米引發(fā)劑。在聚合過(guò)程中，通過(guò)金屬配位鍵，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中游離的、無(wú)承載能力的懸垂鏈末端有效交聯(lián)到整個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)中。得益于這種獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所制備的單網(wǎng)絡(luò)水凝膠韌性在82wt%含水量下，斷裂韌性高達(dá)78500J·m^-2，疲勞閾值達(dá)到2480J·m^-2，還保持了極低的滯后性（400%應(yīng)變下滯后值僅為0.07），打破了傳統(tǒng)材料中高韌性與高滯后相伴而生的困境。同時(shí)，消除懸垂鏈改善了界面接觸和對(duì)滲透壓的抵抗能力，使得材料在水下能快速實(shí)現(xiàn)界面粘合，并可在近紅外光照射下高效修復(fù)，展現(xiàn)出優(yōu)異的水下自愈合性能，突破了傳統(tǒng)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料性能瓶頸，在水下柔性器件領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應(yīng)用潛力。

圖1：三種水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：水凝膠力學(xué)和水下修復(fù)性能

水凝膠基磁驅(qū)軟體微型機(jī)器人因其體積小、結(jié)構(gòu)柔性和生物相容性等優(yōu)勢(shì)，在靶向藥物遞送、微創(chuàng)手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊前景。然而，現(xiàn)有技術(shù)面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)多疇磁性材料需強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，易對(duì)生物組織產(chǎn)生熱效應(yīng)干擾；為提高磁驅(qū)動(dòng)性能，高磁性填料構(gòu)筑的軟體微型機(jī)器人常因機(jī)械性能不足難以承受復(fù)雜環(huán)境操作。如何在低磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)快速變形與機(jī)械強(qiáng)韌性的統(tǒng)一，是制約該領(lǐng)域發(fā)展的難題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“單疇磁組裝”策略，選用高矯頑力、高磁飽和強(qiáng)度的單疇釹鐵硼磁性納米顆粒作為響應(yīng)單元，通過(guò)原位引發(fā)聚合制備了新型核/殼結(jié)構(gòu)聚合物刷納米復(fù)合墨水。進(jìn)一步發(fā)展了磁場(chǎng)輔助精密制造技術(shù)，誘導(dǎo)單疇磁性單元沿磁力線有序排列，實(shí)現(xiàn)了80微米超細(xì)纖維的精準(zhǔn)成型打印及可控磁疇編程。通過(guò)編程磁疇排布，構(gòu)筑了可執(zhí)行轉(zhuǎn)向、滾動(dòng)、下潛/上浮等復(fù)雜動(dòng)作的微型軟機(jī)器人，展示了其在模擬血管環(huán)境中完成穿越障礙運(yùn)送貨物、載藥膠囊精準(zhǔn)投送任務(wù)的能力。該研究工作通過(guò)單疇磁性納米結(jié)構(gòu)組裝策略解決了低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與機(jī)械強(qiáng)韌性的矛盾；開(kāi)發(fā)的聚合物刷磁性墨水為柔性電子提供新型制造平臺(tái)，為下一代生物醫(yī)用微型機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

圖3：磁驅(qū)動(dòng)仿生微型機(jī)器人構(gòu)筑示意圖

圖4：可編程磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人在低磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)能力

以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目以及安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202417795

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202505193

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/73294.htm

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