创新背景

水凝胶是主要由水制成的高分子材料，在医疗和其他领域被广泛应用。但是先前的材料遭受重复的机械应力很容易变形。

创新过程

现有水凝胶的问题在于它们机械力学性能比较弱。许多人在生活中的某个时刻偶尔会遭受运动损伤或经历与关节和韧带有关的某种疼痛。类似损伤的伤害性很可能是永久的，损坏几乎无法被修复。富水聚合物材料领域的水凝胶的未来很可能进入手术室，承受人自然关节和韧带组织所经历的相同的机械应力。针对这一用途来说，水凝胶的力学性能必须增强。

增强水凝胶力学性能的方法起作用的次数有限，甚至有时只能工作一次。这些凝胶根本无法从冲击等应力中迅速恢复。东京大学的研究人员探索了其他具有高回收性的材料，如天然橡胶等，从中汲取灵感，创造了一种在保持柔韧性的同时表现出橡胶般的韧性和可恢复性的水凝胶。

（左）普通的凝胶左侧有一个缺口，在拉伸后不久会折断。（中）新的自增强凝胶在左侧有一个缺口，当拉伸得比典型的水凝胶更远时，仍然保持完整性。（右）聚乙二醇（PEG）链和羟丙基-α-环糊精（HPαCD）环拉伸和放松示意图。

传统的增韧水凝胶使用所谓的牺牲键，牺牲键在外力作用下会先于共价键网络发生断裂，这些键在变形时会断裂。牺牲键的破坏会耗散机械能，从而提供材料强度，但牺牲键需要时间，有时几分钟才能恢复，有时根本无法恢复。

（左）典型的水凝胶在应力下折断，而（右）自增强凝胶尽管受到压力，但仍会拉伸，以红色突出显示。

研究引入在应变下可组装成刚性形状的晶体，这些晶体应变释放时很快就会恢复到凝胶状态。整体水凝胶在静止时呈现出灵活性，但在冲击时会变得像天然橡胶一样坚实。晶体结构由水基水凝胶中由羟丙基-α-环糊精（HPαCD）环结合的聚乙二醇（PEG）链组成。

由于水凝胶含有超过50%的水，它们被认为是高度生物相容的，对医疗应用至关重要。研究下一阶段将尝试不同的分子排列，测试简化结构是否能真正降低材料成本，这将有助于加速医疗行业对它们的采用。

创新关键点

从天然橡胶中获取灵感，引入羟丙基-α-环糊精环结合的聚乙二醇（PEG）链组成的晶体结构，增强水凝胶的力学性能，使其可以可逆地形成和变形，能够从机械应力中快速恢复。

创新价值

研究提高了水凝胶的力学性能，拓展了水凝胶基材料的使用范围，开辟了这种生物相容性材料在人工关节和韧带修复领域的使用。