具有湿软特性的水凝胶在仿生润滑、触觉感知、生物传感和柔性电子等领域受到广泛关注，但其性能调控大多具有“配方依赖”性。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室受自然界中广泛存在的图案化异质结构（如昆虫翅膀和植物叶脉等）启发，发展了一种图案化水凝胶（CSN水凝胶）方案实现了其多属性、宽范围的力学性能调控。如图1所示，研究人员以光固化聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶作为软基质，通过先浸泡N-丙烯酰基氨基脲（NASC）前驱体溶液再以选区曝光构建图案化硬骨架（PNAGA@PNASC），然后经后续水平衡过程中的相转化诱导氢键重构实现软基质和硬骨架的无缝互锁，发展了具有局部互穿网络的图案化硬骨架强化水凝胶。

图1. 图案化水凝胶的制备

该方法制备的CSN水凝胶能够在软基质凝胶基础上，通过图案化设计（包括图案形状、图案参数、图案化比例等）实现了其机械性能的增强和调控。研究人员通过对预制缺陷下的裂纹扩展行为实验、循环拉伸实验、穿刺实验和落球实验对所制备的图案化CSN水凝胶的力学性能进行了系统研究，结果表明，其韧性可在0.15-18 kJ m^-2（120倍）、模量在0.32-5.92 MPa（19倍）内进行调控（图2），并展现出优异的预制缺陷扩展和形变不敏感以及抗冲击等特性（图3），为适应不同应用需求及其应用过程中的自适应性提供了有效的解决方案。

图2. 图案化水凝胶的宽范围机械性能调控

图3. 图案化水凝胶的性能强化与应用前景

相关研究工作以“Sculpting mechanical properties of hydrogels by patterning seamlessly interlocked stiff skeleton”为题发表在Advanced Functional Materials（2024,2417477,https://doi.org/10.1002/adfm.202417477）上。兰州化物所联合培养的石河子大学化学化工学院硕士研究生朱彬（现深圳大学化学与环境工程学院博士生）为论文第一作者，兰州化物所王晓龙研究员、Institut Jacques Monod博士后蒋盼和深圳技术大学助理教授张智星为共同通讯作者。

该工作得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。