随着对具有优异机械性能的合成水凝胶需求的增长，研究人员不断寻求通过生物启发的设计来提升这些材料的强度、模量、韧性、耐磨性及抗冲击性能。受关节软骨启发，研究团队探索了如何通过模仿自然软骨的结构特性来开发一种新型的PVA/PEG水凝胶。这种材料不仅需要具备足够的机械强度以应对冲击载荷和循环摩擦条件，还需要拥有良好的生物相容性和简易的制备工艺，可以应用于防护感知装备等传感设备中。通过原位SAXS/WAXS测试和高速冲击原位测试，验证了水凝胶的优异机械性能。
通过深入研究自然关节软骨的独特结构，研究团队开发出了一种仿生的“混凝土状”结构PVA/PEG水凝胶，即BPP水凝胶（图1）。该设计灵感来源于软骨中由胶原纤维和蛋白多糖组成的复合结构，其中胶原纤维类似于混凝土中的钢筋，而蛋白多糖则类似水泥基体。在BPP水凝胶的设计中，基于霍夫梅斯特效应和机械训练的PVA/PEG纤维网络充当了“钢筋”的角色，提供了必要的拉伸强度和弹性；而部分未完全溶解的PVA颗粒作为“水泥”，增强了材料的整体硬度和承载能力。通过原位拉伸过程中的SAXS/WAXS测试观察到，在拉伸过程中，层状晶体信号逐渐消失，取而代之的是更为明显的纤维晶体信号，这表明拉伸过程促进了分子链的定向排列和结晶度的提高（图2）。原位测试证明了这种独特的仿生结构，其不仅使得BPP水凝胶能够在拉伸时形成高度紧凑的PVA/PEG纤维网络，还在压缩时通过刚性PVA颗粒间的相互挤压分散应力，从而显著提升了材料的机械性能。
图1. 仿生水凝胶材料的强韧化设计与潜在应用
图2. BPP水凝胶结构演化的微观表征和原位SAXS/WAXS测试
BPP水凝胶展示了令人印象深刻的机械特性，包括高抗压强度、高拉伸强度、卓越的抗疲劳性（图3）。并通过分体式霍普金森杆与高速相机构建的原位冲击测试平台证实了BPP水凝胶在抗冲击能力上显著优于天然软骨及常规PVA/PEG水凝胶。此外，在模拟关节滑液的润滑条件下，它的摩擦系数较低。基于离子导电原理将水凝胶和电极简单封装的压力传感器表现出防护感知装备所需的灵敏度、线性度和快速响应时间。进一步将这种材料用于防护感知装备，配合灵巧的智能采集设备，可实现分散压力、耗散能量及检测冲击、并在冲击能量过度时自动发送预警邮件寻求救援等功能。
图3. BPP水凝胶的力学性能、抗冲击性能与传感性能
这项工作为开发低成本、高性能和生物相容性的水凝胶材料提供了新的思路，并且拓宽了其在实际应用中的前景，特别是在智能防护感知装备领域展现出广泛的应用潜力。论文得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大研究计划重点项目和国家重大科研仪器研制项目的资助，以“Cartilage-Bioinspired Tenacious Concrete-like Hydrogel Verified via In-situ Testing”为题在线发表于国际期刊Nature Communications上。我院直博生刘继泽为论文的第一作者，马志超教授为论文的通讯作者，任露泉院士和赵宏伟教授给予了理论指导和技术支持。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-57653-5
