一、研究背景

水凝胶是一种水 swollen 聚合物网络，兼具机械柔顺性、可变形性和可调性，在软机器人、柔性电子、传感器、粘合剂和可重构结构等多个领域具有广泛应用前景。

然而，水凝胶固有的低断裂韧性和在大变形或反复变形下的差机械耐久性，使其在机械要求苛刻的环境中应用受限。为解决这一问题，研究人员开发了多种坚韧水凝胶设计，其中最具代表性的是双网络（DN）结构——将离子交联的海藻酸盐作为牺牲网络（通过键断裂耗散能量），与共价交联的聚丙烯酰胺（PAAm）作为可伸展网络（保持整体连接性和机械完整性）相结合，实现了优异的韧性和拉伸性。

尽管已有诸多进展，但实现水凝胶韧性在空间和时间上的精确动态控制仍是关键挑战。时空可调性有望极大拓展水凝胶在复杂异质系统中的功能，例如可编程材料、自适应机械界面或基于环境信号响应进化的软器件。现有研究中，空间控制主要依赖3D打印技术，时间控制多通过顺序交联策略实现，但将两者整合到单一水凝胶结构中的策略仍未得到充分探索。

二、研究内容

2.1 核心设计原理

本研究基于经典海藻酸盐/PAAm双网络水凝胶系统，用碳酸钙（CaCO₃）替代常用的氯化钙（CaCl₂）或硫酸钙（CaSO₄）作为钙源。CaCO₃形成纳米至微米级颗粒，在中性pH下稳定，仅在酸性条件下释放钙离子。通过将CaCO₃微粒嵌入海藻酸盐/聚丙烯酰胺双网络水凝胶，利用葡萄糖酸-δ-内酯（GDL，一种生物相容性酸化剂）按需触发钙离子释放，实现离子交联的时空调控：

• 空间控制：通过直接墨水书写（DIW）技术对CaCO₃进行图案化分布
• 时间激活：通过GDL水解产生葡萄糖酸降低pH，触发钙离子释放和交联反应

2.2 关键实验结果

（1）按需钙离子释放与交联

图1 按需钙离子释放实现凝胶交联的时间调控。(A) 顺序交联过程示意图：含海藻酸盐、丙烯酰胺（AAm）和CaCO₃纳米颗粒/微粒（NP/MP）的前驱体溶液先聚合形成共价交联的PAAm主网络；GDL处理后，CaCO₃释放Ca²⁺，离子交联海藻酸盐形成次级网络。(B) 含CaCO₃的海藻酸盐溶液在有无GDL存在下的宏观凝胶化：无GDL时（上排），6分钟后溶液分散未交联；有GDL时（下排），钙离子介导交联触发可见凝胶化。(C) 传统CaSO₄交联双网络水凝胶（左）与CaCO₃负载双网络水凝胶在GDL处理前后的SEM图像（中、右）：酸化前可见CaCO₃颗粒（黄色箭头），GDL处理后颗粒消失。(D) CaCO₃负载双网络水凝胶在初始状态（time=0）和去离子水中孵育1天后的照片：无GDL时凝胶溶胀软化；有GDL时凝胶更透明且抗变形。比例尺：10 mm [(B)和(D)]。

实验验证，在含GDL的浴液（pH≈5）中，CaCO₃负载的海藻酸盐溶液几分钟内即可凝胶化；而在无GDL的中性环境（pH≈7）中，溶液仅分散不交联。将CaCO₃颗粒融入海藻酸盐/PAAm水凝胶基质后，GDL处理使颗粒溶解、钙离子释放，凝胶从白色不透明变为透明，溶胀减少，刚度增加。

（2）力学性能的可调性与可逆性

图2 CaCO₃-GDL介导的交联调控水凝胶的刚度、韧性和拉伸性。(A) CaCO₃负载双网络水凝胶在有无GDL处理下的代表性应力-拉伸曲线，插图为拉伸状态下的GDL处理水凝胶。(B-D) 固定CaCO₃含量（1%）时，刚度（B）、韧性（C）和拉伸性（D）随GDL浓度（0至1%）的定量比较。(E-G) 固定GDL处理（0.5%）时，刚度（E）、韧性（F）和拉伸性（G）随CaCO₃含量（0.5至3%）的变化。(H) 顺序GDL处理下的时间依赖性力学性能：逐步增加GDL浓度（案例1至案例3）实现可编程硬化；后续EGTA处理使案例3的刚度逆转。(I) CaCl₂浸泡水凝胶与CaCO₃-GDL基水凝胶离子交联的示意图对比：CaCl₂从外部扩散导致表面偏向交联；CaCO₃在酸暴露下实现均匀内部交联。(J) 压痕测试的力学均匀性空间映射：CaCl₂交联水凝胶从边缘到中心存在刚度梯度，而CaCO₃-GDL凝胶在所有位置保持均匀力学性能。[(B)-(D)和(E)-(G)]中采用单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey事后多重比较；ns（无显著性），**P<0.01**，***P<0.001**，****P<0.0001。所有数据以平均值±标准差表示。

• GDL浓度依赖性：固定CaCO₃含量为1%时，刚度和韧性随GDL浓度增加而提升，即使低浓度GDL（0.1%）也能增强力学性能，拉伸性在高浓度下趋于平稳。
• CaCO₃含量依赖性：固定GDL浓度为0.5%时，刚度随CaCO₃含量（0.5%-3%）递增并趋于平稳，高负载量下韧性和拉伸性略有下降。
• 可逆性：EGTA（钙螯合剂）处理可破坏离子交联，使刚度快速显著下降，实现力学性能的可逆调控。
• 空间均匀性：与传统CaCl₂浸泡法（表面交联密集、内部松散，存在刚度梯度）相比，CaCO₃-GDL系统实现了水凝胶内部均匀交联，短期和长期实验中均保持一致的力学性能。

（3）3D打印实现空间图案化

图3 通过挤出式3D打印和按需增强制备空间可编程坚韧水凝胶。(A) 打印和交联过程示意图：含AAm、海藻酸盐、CaCO₃颗粒、丙烯酰胺交联剂和光引发剂的水凝胶墨水经打印和UV固化形成共价主网络；后续GDL处理通过Ca²⁺释放启动离子交联。(B) 手写演示：UV固化后水凝胶保持形状。(C) 标准挤出打印机打印网格图案。(D) 打印网格结构在GDL处理前后的照片（为视觉清晰使用多色墨水，成分相同）。(E) 增强后打印网格的拉伸和恢复行为，展示可逆变形和结构稳健性。(F-G) 复杂结构打印[如平面三角晶格（F）和多材料层状晶格（G）]，GDL处理后力学稳定性增强且保留拉伸性。(H-I) 高分辨率打印几何结构（花瓶（H）和金字塔（I左））；金字塔结构在有无GDL处理下的循环压缩测试（I右）。(J) 五个循环的归一化高度。比例尺：10 mm [(B)、(D)、(F)、(G)]，1 mm (H)，5 mm (I)。

采用基于DIW的3D打印技术，将含CaCO₃、海藻酸盐、丙烯酰胺、光引发剂、交联剂和甘油（防打印时脱水）的水凝胶墨水进行打印，UV光照射形成PAAm共价网络，GDL处理触发局部钙离子释放和海藻酸盐离子交联。实验验证了墨水的可打印性、结构完整性和几何精度，成功制备了网格、三角晶格、卷曲图案、字母“M”、 auxetic设计等2D结构，以及多层晶格、花瓶、金字塔等3D复杂结构。GDL处理后的结构力学稳健、可拉伸，循环压缩下保持形状和完整性。

（4）各向异性力学性能与防护功能

图4 空间图案化的力学各向异性提供防护和界面功能。(A) CaCO₃含区与无CaCO₃区界面的刚度空间映射。(B) 正交图案化CaCO₃含区（刚性）和无CaCO₃区（柔性）的水凝胶结构照片，手动变形下可见方向依赖性力学行为。(C) 正交方向的单轴拉伸力-拉伸曲线。(D-E) 不同层配置水凝胶屏蔽层的冲击有限元分析（FEA）模拟：软-硬（Soft-Stiff）排列最有效分散冲击应力。(F-G) 脆性零食的防护实验验证：软-硬组合的断裂冲量最大。(H-J) 水凝胶包裹生鸡蛋的跌落测试：软-硬结构水凝胶屏蔽层包裹的鸡蛋从25cm高度跌落仍完好，对照组则破裂。(K) 界面机械锁定演示：无GDL处理的水凝胶（软）在拉伸下滑动，GDL处理的水凝胶（刚性且坚韧）保持界面锚定。比例尺：10 mm [(F)、(H)、(K)]。(G)中采用单因素方差分析结合Tukey事后多重比较；ns（无显著性），*P<0.05**，**P<0.01**，****P<0.0001。所有数据以平均值±标准差表示。

通过制备含CaCO₃和不含CaCO₃的相邻区域复合水凝胶，实现了空间选择性交联和力学异质性编程。正交图案化的水凝胶结构表现出显著各向异性：沿柔性轴易拉伸，沿刚性轴抗伸长。有限元模拟和实验验证，软-硬双层结构的水凝胶屏蔽层能有效分散冲击应力，显著提升脆性材料（零食）的断裂抗性，成功保护生鸡蛋从25cm高度跌落不破裂。此外，GDL处理的水凝胶在界面机械锁定中表现出优异的抗滑移性能。

（5）应变传感应用

图5 机械可编程水凝胶电极保持导电性并实现定向应变传感。(A) 水凝胶电极在GDL处理前后的机械变形照片。(B) 制备态和GDL处理水凝胶电极的刚度；(C) 电导率。(D) 相对电阻变化（ΔR/R₀）随应变的变化。(E) 逐步拉伸至200%的相对电阻变化；(F) 100次以上循环加载测试。(G) 含GDL处理和未处理区域的各向异性水凝胶电极定向应变传感示意图。(H-I) 沿柔性轴（H）或刚性轴（I）拉伸时的定向传感性能。[(B)和(C)]中采用非配对Student t检验；ns（无显著性），****P<0.0001。所有数据以平均值±标准差表示。

将银颗粒融入水凝胶基质制备导电复合材料，GDL处理后水凝胶刚度和韧性显著提升，但导电性未受影响。应变传感测试表明，制备态和GDL处理的水凝胶在200%应变内表现出相当的灵敏度和线性度，循环加载下耐久性优异。通过空间图案化柔性和刚性区域，实现了定向传感功能：沿柔性轴拉伸时电阻变化大，沿刚性轴拉伸时电阻变化小，正交加载下信号最小。

（6）组织粘合应用

图6 水凝胶在水凝胶-水凝胶和水凝胶-组织粘合中的应用。(A) 壳聚糖介导水凝胶与其他水凝胶或生物组织界面粘合的机制示意图。(B) 3D打印水凝胶片之间的强粘合。(C) 壳聚糖粘合的3D打印水凝胶支撑500g重量无分层。(D) T-剥离测试评估水凝胶与组织粘合的照片。(E) 有无超声（US）处理时，水凝胶与皮肤和肌肉粘合的力-位移曲线。(F) 界面韧性测量显示粘合强度显著提升。(G) 水凝胶与肌肉组织的粘合示例。(H-I) 超声实现快速且空间可控的水凝胶粘合。(J) 壳聚糖预处理、耐干粘合剂的强粘合性能。(K-L) 3D打印晶格和多材料层状水凝胶结构与组织表面的共形附着。比例尺：10 mm [(B)、(C)、(G)-(L)]。所有数据以平均值±标准差表示。

利用壳聚糖作为桥接聚合物，水凝胶实现了水凝胶-水凝胶的强粘合，3D打印结构可集成并支撑500g重量无分层。水凝胶与皮肤、肌肉等生物组织的粘合界面韧性约为300 J/m²，超声处理可使粘合强度提升约3倍，并实现空间可控粘合。壳聚糖预处理并干燥的水凝胶，经界面水再水化后仍能实现稳健粘合。3D打印的2D晶格和3D层状结构可与复杂组织几何共形附着，展现出先进形状可编程生物粘合剂的潜力。

三、研究结论

• 提出了一种基于CaCO₃-GDL潜在离子交联机制的水凝胶平台，实现了韧性的时空调控，解决了传统水凝胶力学性能难以精确动态控制的问题。
• 该系统通过3D打印实现CaCO₃的空间图案化分布，通过GDL触发实现钙离子的按需释放和交联，使水凝胶的刚度和韧性可按需调节，且力学性能均匀性优于传统CaCl₂交联方法。
• 水凝胶具有良好的机械可调性、可逆性、导电性和生物相容性，在各向异性冲击防护、定向应变传感、3D打印组织粘合剂等多个领域展现出广泛应用前景。
• 该研究为自适应、可重构和多功能软材料的开发提供了新范式，有望推动下一代多功能器件和自适应系统的发展。

四、论文信息

4.1 基本信息

• 论文标题：Spatiotemporal toughness modulation in hydrogels through on-demand cross-linking（基于按需交联的水凝胶时空韧性调控）
• 发表期刊：Science Advances
• 发表时间：2025年10月10日
• 卷期页码：Sci. Adv. 11, eadz0440 (2025)
• 版权声明：Copyright © 2025 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC).

4.2 材料与方法概要

• 材料：丙烯酰胺（AAm）、海藻酸钠、N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）、过硫酸铵（APS）、碳酸钙（CaCO₃）、葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）、EGTA、甘油、光引发剂Irgacure 2959、银片等。
• 水凝胶制备：将海藻酸盐、AAm、CaCO₃等混合制备前驱体溶液，聚合形成PAAm主网络，GDL处理触发海藻酸盐离子交联形成双网络水凝胶。
• 3D打印：采用DIW墨水直写生物3D打印机，墨水经UV固化后进行GDL处理，制备空间图案化结构。
• 表征方法：扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；拉伸和压缩测试表征力学性能；压痕测试评估空间力学均匀性；导电性和电阻测试评估传感性能；T-剥离测试评估粘合强度；有限元模拟分析冲击防护性能。