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  應變-硬化現象在生物體內較為常見，這一現象通常是指結構組織在施加外力發生形變時，其強度和硬度會有明顯提升，從而減弱或避免該結構被破壞。人體內很多柔性生物組織，例如血管、腸系膜組織、肺實質、眼角膜等都具有這種應變-硬化功能，使其在承受較大的機械形變時依然能保持結構和功能的完整性，從而增加生物的存活幾率。

  目前人工合成具有仿生應變-硬化特性的材料主要基于生物高分子，如肌動蛋白、膠原蛋白以及合成的聚異氰酸酯-蛋白復合材料等, 基于純合成材料的應變-硬化則比較少見。除此以外，單一的應變- 硬化機制在生物體內并不是絕對有效的，尤其是在高機械強度高應變下，材料或者組織的宏觀結構發生斷裂、刺穿時，這時就需其它機制，例如自修復，來恢復結構的完整性，繼續實現其功能。

  基于柔性高分子的自修復材料與機理研究在近十年已經取得了巨大的進展，但到目前為止，還沒有制備出同時具有應變-硬化特性與自修復功能的合成高分子材料。水凝膠是一種獨特的具有各種優異的性能的高分子網絡體系，數十年來已成為材料研究的一大熱點，但目前報道的絕大多數水凝膠在外力作用下只會變得更加柔軟，而不會發生應變-硬化。

  最近，加拿大阿爾伯塔大學Hongbo Zeng（曾宏波）教授課題組報道了一種新型的基于兩種柔性高分子材料（醛基化聚乙二醇和超支化聚乙烯亞胺）的水凝膠網絡（圖1）及其納米力學機理，該材料同時具有仿生物組織的應變- 硬化特性以及優異的自修復功能。該水凝膠在經受高達650%的應變形變后依然能可重復的迅速恢復其原有的機械性能，并且沒有記憶效應。

圖1. 具有應變-硬化與自修復功能的超支化聚乙烯亞胺- 醛基化聚乙二醇水凝膠網絡結構示意圖，該自修復功能主要基于動態席夫堿反應以及氫鍵。

  在超過臨界應變點后，該水凝膠依然能夠通過動態席夫堿鍵實現接近100%的自修復（圖2）。表面力儀測試表明該水凝膠的應變-硬化行為主要取決于水凝膠網絡中獨特的超支化的聚乙烯亞胺和線性聚乙二醇結構，同時動態可逆的席夫堿反應和氫鍵作用使得該水凝膠也擁有優異的自修復功能。另外通過調節膠化過程中采用的高分子的鏈長、材料濃度和水凝膠的溫度，可以實現水凝膠應變-硬化性能的進一步精細調控。該水凝膠材料具有很好的生物相容性，還可進一步對內部氨基進行修飾，對于設計與制備用于生物組織工程或者載藥工程的仿生材料和新型納米復合材料具有重要指導意義。

圖2. 采用流變儀測得具有應變-硬化特性與自修復功能的聚乙烯亞胺-聚乙二醇水凝膠的應力-微分模量曲線（左上），剪切模量/彈性模量的恢復過程（右上），以及水凝膠的宏觀自修復過程（下）。

  這一成果近期發表在ACS Nano 上，文章的第一作者是閻斌博士（現為四川大學研究員）、黃俊博士和韓林波博士。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05109