近年来开发了许多具有高机械强度的合成水凝胶；然而，很少有它们像肌肉这样的活组织一样坚韧和富有弹性。韧性和回弹性的本质要求是矛盾的，因此设计一种兼具高韧性和高回弹性的凝胶是一个巨大的挑战。

普通水凝胶力学性能较弱的主要原因之一是缺乏应力下的能量耗散机制。因此，实现高弹性的一般策略是引入能量耗散机制。因此，凝胶的应力-应变曲线中通常会出现较大的滞后回线。相反，具有高回弹力的凝胶在变形过程中的能量损失可以忽略不计。这种固有的矛盾要求使得设计出兼具高韧性和高回弹力的凝胶变得非常困难。目前，能量耗散通常是通过牺牲键的断裂来实现的，包括共价键、氢键、疏水相互作用、离子键和动态共价键。在卸荷过程中，这些化学键不可逆地断裂，造成较大的滞后循环，导致凝胶的回弹力较低。即使存在非共价键作为牺牲键，其重建和破坏后的恢复仍然与温度和时间有关。作为聚合物链，其非共价键的恢复并不能保证完整的原理。因此，这一主要因素将极大地限制水凝胶材料的回收性能。

为了解决这个问题，受螺旋弹簧的启发，螺旋弹簧在变形时吸收和储存机械能，但在去除应力时释放机械能。在天然聚氨基酸中，聚-L-谷氨酸在弱酸性条件下通常很容易形成螺旋构象。这是一种主要由分子间氢键形成的弹簧状分子结构，具有良好的可逆性。这为可逆聚合物链的构建奠定了理论基础。

在这里，南开大学张永军课题组提出通过将具有螺旋构象的肽链（即所谓的分子弹簧）掺入水凝胶网络中来设计一种具有高韧性和高回弹力的水凝胶。在加载过程中，肽螺旋将被拉伸至拉长状态（图 1A）。稳定螺旋结构的分子内氢键将被破坏（图 1B），从而提供能量耗散以获得韧性的机制。与普通的牺牲键不同，断裂的氢键会在卸载过程中完全重组（图 1B），肽链将精确地重新折叠成螺旋结构（图 1A）。系统吸收和储存的能量将返回，从而产生较小的磁滞回线和较高的弹性。通过该方法，成功合成了一种高韧性、高延展性和高回弹性的水凝胶。然后将所得凝胶用于制造应变和压力传感器，以感知人体运动。由于凝胶的高弹性，传感器不仅非常灵敏，而且高度稳定可靠。研究成果以《HighlyTough、Stretchable and Resilient Hydrogels Enhanced with Molecular Springs as a Wearable,Flexible Sensor》为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上。

由于肽交联剂浓度低、体积大，形成的水凝胶网络异质性低。此外，螺旋链在外力作用下会被拉长，稳定螺旋结构的分子内氢键也会被破坏，这为能量耗散提供了新的机制。因此，肽交联水凝胶的机械强度和延伸性得到了显着提高。与之前使用的能量耗散机制不同，分子内氢键和螺旋结构在卸载后立即发生变化，从而产生较小的滞后回线和高回弹性 (>94%)。网络中的螺旋肽链就像一个分子大小的弹簧，在变形时吸收和储存机械能，但在应力释放时释放。因此，同时实现了高韧性和高回弹性。使用该凝胶，成功制备了可穿戴柔性应变/压力传感器。由于凝胶的高弹性，该传感器具有前所未有的稳定基线和高度可靠的高重现性信号。

论文的主要观点：

1.提出了一种设计高韧性和高弹性水凝胶的新策略； 2、螺旋肽分子中的氢键首次用于能量耗散； 3.同时实现高韧性和高回弹性； 4. 制备了高度可靠的可穿戴柔性应变/压力传感器。

论文链接

文章来源：《南开管理评论》 网址: http://www.nkglplzz.cn/zonghexinwen/2021/0701/413.html