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  水凝膠材料因其出色的柔性，延展性，易制備性及豐富的功能拓展性等特點而頻繁出鏡于柔性傳感器，柔性機器人等領域的研究。同時，因其具有與生物體相當的高含水量以及高擴散率，水凝膠在細胞工程，載藥和生物工程領域更有著難以替代的地位。然而傳統水凝材料機械性能低下，難以承受生產實踐中可能出現的高應力，高應變，沖擊載荷或循環載荷情況，因而其應用也受到了較大的限制。此前，基于雙網絡、離子交聯、凍融循環、拉伸和機械訓練等策略，水凝膠機械性能已有改善，但單一策略往往使得凝膠拉伸性下降或含水量降低。因此，如何制備兼具高強度、高拉伸性、抗疲勞且保持高含水量的水凝膠仍存在挑戰。

  為制備具有高綜合機械性能的水凝膠，賀曦敏教授團隊參考了天然結構材料。天然生物材料如木材輕質而堅固，貝殼堅硬而堅韌，而肌腱強韌且抗疲勞——這些材料均受益于多尺度微納結構以及各向異性特性。因此，該團隊提出了定向冷凍后鹽析的策略從而在多尺度層面調控水凝膠結構，達到模仿天然材料的目的。通過該策略制備的聚乙烯醇（PVA）水凝膠具有宏觀可見的各向異性及仿生光澤，微米尺度的蜂窩狀結構，以及納米尺度的纖維網絡。

圖1. 定向冷凍輔助鹽析制備方法和凝膠結構

  該凝膠在含水量90%的前提下仍可達到2900%的拉伸應變及11.5MPa的拉伸強度，并且表現出優異的裂紋擴展抑制性。該凝膠優異的綜合力學性能來源于其多尺度結構在鹽析處理中演變：微米尺度結構的質密化，納米纖維網絡的致密化及網格密度增加，以及分子尺度上結晶度的增加。凝膠中的這些豐富結構在多尺度上協同作用，為其帶來了大幅增強及增韌效果。

圖2. 材料力學性能及結構演化

  通過調控聚乙烯醇濃度，該團隊通過上述策略制備出了一系列高強度凝膠，其最高強度可達23.5MPa，最大拉伸性可達2900%，其所對應的最大韌性可達210MJ/m³, 最大斷裂能可達170 KJ/m^-2, 且展現出可循環使用性和極高的疲勞閾值（10.5 KJ/m²）。相較于現有的通過其他方法制備的高強度水凝膠以及許多不含水的彈性體聚合物，通過冷凍輔助鹽析策略所制備的水凝膠同時具有較高的強度和拉伸性，從而展現出極高的韌性。該策略可以廣泛應用于多種常見的聚合物，如海藻酸鈉、殼聚糖、明膠以及纖維素等。與此同時，該策略還可以與其他材料制備方法結合從而用于提升其他凝膠材料的機械性能。

圖3. 水凝膠機械性能調控和普適性。

  以上相關成果發表在Nature, 2021, 590, 594-599上。論文的第一作者為加州大學洛杉磯分校博士生華牧天和博士后吳書旺，通訊作者為賀曦敏教授。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03212-z

通訊作者簡介：

  賀曦敏是加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系的助理教授和加州納米體系研究所（CNSI）的成員。她在劍橋大學獲得博士學位并在哈佛大學進行博士后研究。她的主要研究方向包括刺激響應性材料、仿生功能材料、化學和生物傳感器、驅動器等，并將其應用于生物醫藥、環境、機器人和能源領域。她已經在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等雜志發表了60余篇高水平論文、書籍和專利。她獲得的榮譽包括Young Investigator Medal of the Society of Engineering Science (SES), 3M Non-tenured Faculty Award, CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, Hellman Fellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award。她的關于自調制材料，人工向光材料，及柔性機器人等研究獲得了一系列地區和國際的獎勵，并且受到了百余家新聞媒體報道。

  博后招聘：該課題組現有博后職位。歡迎化學，材料，或相關工程背景的博士生申請，加入高分子材料，智能響應性材料，以及柔性器件，生物電子，神經傳感，柔性機器人方面的研究。歡迎按課題組網頁中的聯系方式Email聯系賀曦敏教授。課題組網頁：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html