本文由Mutian Hua、Shuwang Wu、Yanfei Ma、Yusen Zhao、Zilin Chen、Imri Frenkel、Joseph Strzalka、Hua Zhou、Xinyuan Zhu和Ximin He等作者共同完成，研究团队主要来自加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）和阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）。该研究于2021年2月25日发表在《自然》（Nature）期刊上，题为《通过冷冻铸造和盐析协同作用制备强韧水凝胶》（Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out）。
水凝胶是一种具有高含水量的材料，广泛应用于生物医学、软体机器人、能源和增材制造等领域。然而，传统水凝胶由于交联松散、固体含量低且结构均匀，通常表现出较低的强度、韧性和抗疲劳性，难以满足实际应用中对高强度、高韧性和抗疲劳性能的需求。相比之下，天然承重材料如肌腱虽然含水量高达70%，但由于其多尺度层次结构的各向异性组装，表现出优异的力学性能。因此，如何通过仿生设计制备出具有高含水量且兼具高强度、高韧性和抗疲劳性能的水凝胶，成为材料科学领域的一个重要挑战。
本研究旨在通过结合冷冻铸造（freeze-casting）和盐析（salting out）两种技术，制备出具有多尺度层次结构的各向异性水凝胶。这种水凝胶不仅具有高含水量（70-95%），还能在强度、韧性、拉伸性和抗疲劳性方面与天然肌腱相媲美，甚至超越现有的高强度水凝胶。
研究团队以聚乙烯醇（PVA）为模型体系，采用冷冻铸造和盐析协同作用的方法，制备了具有层次结构的各向异性水凝胶（HA-PVA水凝胶）。具体步骤如下：
冷冻铸造：将PVA溶液在-80°C的乙醇浴中进行定向冷冻，形成具有蜂窝状微孔壁的微米级结构。冷冻过程中，PVA链被浓缩并紧密排列，为后续的盐析处理提供了基础。
盐析处理：将冷冻后的PVA溶液浸入1.5 M的柠檬酸钠溶液中，利用盐析效应诱导PVA链的强聚集和结晶，形成纳米纤维网络。盐析处理进一步增强了水凝胶的力学性能。
结构表征与力学测试：通过扫描电子显微镜（SEM）、小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）等技术，对水凝胶的微观结构进行了详细表征。同时，通过拉伸测试、纯剪切测试和疲劳测试，评估了水凝胶的力学性能。
力学性能：HA-PVA水凝胶表现出优异的力学性能，其极限应力达到23.5±2.7 MPa，极限应变达到2900±450%，韧性为210±13 MJ/m³，断裂能为170±8 kJ/m²，疲劳阈值为10.5±1.3 kJ/m²。这些性能不仅优于现有的高强度水凝胶，甚至超过了天然肌腱。
结构演化：通过冷冻铸造和盐析处理的协同作用，水凝胶形成了多尺度的层次结构。微米级的蜂窝状孔壁和纳米级的纤维网络共同增强了水凝胶的强度和韧性。盐析处理过程中，PVA链的结晶度逐渐增加，进一步提高了材料的弹性和抗疲劳性。
可调性与通用性：通过改变PVA的初始浓度，研究团队成功调控了水凝胶的力学性能。此外，该方法还适用于其他聚合物体系，如明胶和藻酸盐，制备出的水凝胶同样表现出优异的力学性能。
本研究通过冷冻铸造和盐析处理的协同作用，成功制备出具有多尺度层次结构的各向异性水凝胶。这种水凝胶不仅具有高含水量，还兼具高强度、高韧性、高拉伸性和优异的抗疲劳性能。该方法具有广泛的通用性，可应用于多种聚合物体系，为水凝胶在医疗、机器人、能源和增材制造等领域的应用提供了新的可能性。
本研究不仅为制备高性能水凝胶提供了一种新的策略，还为仿生材料的设计提供了重要的理论依据。通过模拟天然材料的多尺度层次结构，研究团队成功实现了水凝胶在力学性能上的突破，为未来开发更多高性能仿生材料奠定了基础。