基于软骨仿生的坚韧类混凝土水凝胶：原位测试验证的高性能智能防护传感材料

《自然·通讯》推荐语：针对传统PVA/PEG水凝胶机械强度不足、润滑性能差的问题，吉林大学团队受关节软骨(AC)混凝土结构启发，开发出生物仿生PVA/PEG(BPP)水凝胶。该材料通过PVA颗粒与PVA/PEG纤维网络构建多尺度应力分散体系，实现29.5 MPa压缩强度、10.5 MPa拉伸强度及低于天然软骨75%的摩擦系数(COF)，兼具疲劳/冲击/切割抗性。集成传感功能的智能防护系统可无线监测冲击能量并自动报警，为低成本高性能防护设备提供新范式。

　　在人体运动系统中，关节软骨(Articular Cartilage, AC)以其独特的混凝土样结构——胶原纤维网络作为"钢筋"，蛋白聚糖作为"水泥"——实现了卓越的机械性能和润滑功能。这种天然材料能承受100 MPa载荷、数百万次循环载荷而不疲劳，其低摩擦特性更是保障关节顺畅运动的关键。然而，现有合成水凝胶材料往往难以兼顾高强度与高韧性，特别是常用的聚乙烯醇(PVA)/聚乙二醇(PEG)水凝胶在交替载荷和循环摩擦条件下表现欠佳，严重限制了其在防护设备中的应用。更棘手的是，传统增强方法常伴随复杂制备工艺或高昂成本，使得材料难以规模化应用。面对这些挑战，吉林大学的研究团队从自然获取灵感，通过模仿软骨的多级结构设计出性能卓越的仿生水凝胶，相关成果发表在《Nature Communications》期刊。

研究团队采用冻融循环结合机械拉伸的简易方法，构建了由PVA颗粒（"水泥相"）和PVA/PEG纤维网络（"钢筋相"）组成的双网络结构。关键技术包括：1）通过控制PVA/PEG(1:1)溶解差异形成微米级PVA颗粒；2）冻融循环诱导冰晶模板形成多孔结构；3）原位X射线散射(SAXS/WAXS)表征微观结构演变；4）分离式霍普金森压杆(SHPB)评估冲击性能；5）球-盘摩擦仪测定润滑特性。实验使用猪关节软骨作为天然对照样本。

机械性能方面，BPP水凝胶展现出类软骨特性：压缩测试显示其极限压缩强度(UCS)达29.5 MPa（86%应变），较常规NPP水凝胶提升86%；拉伸测试显示极限拉伸强度(UTS)为10.5 MPa（265%应变），超越天然软骨的8.1 MPa。疲劳测试表明，经过100万次10 Hz循环压缩后，应力保持率达91.43%。这种卓越性能源于独特的增强机制：拉伸时PVA/PEG纤维网络结晶度提升（WAXS显示19°衍射峰增强），压缩时PVA颗粒相互挤压分散应力。

原位结构分析揭示了材料的多尺度响应：SAXS显示拉伸过程中层状晶体信号（长周期30 nm）逐渐转变为纤维晶体信号；FTIR证实3255 cm^-1处O-H键红移，表明PVA与PEG间氢键增强。这种分子级相互作用使结晶域充当"高功能交联点"，延缓链断裂。

摩擦学性能测试中，BPP水凝胶在生理盐水润滑下摩擦系数(COF)低至0.048（5 Hz频率），比天然软骨降低75%。长期磨损测试（18,000秒）后表面仅产生68.8 μm深微沟，而软骨损伤达160 μm。这种优异润滑性归因于多孔结构储存润滑剂的"间隙流动"机制，类似软骨的润滑方式。

智能应用方面，NaCl溶液浸泡后的BPP水凝胶传感器展现出337的应变系数(GF)和0.9868的线性度(R²)。构建的原型系统能通过电磁线圈枪模拟冲击（5.38 g弹丸），实时监测电阻变化并自动发送预警邮件。在5500次循环测试后，信号稳定性保持90.4%。

这项研究通过仿生策略巧妙平衡了材料强度（29.5 MPa UCS）与韧性（265%断裂应变），其创新点在于：1）提出"混凝土"结构增强原理，无需添加复杂组分；2）开发冻融-拉伸简易制备工艺；3）实现力学/摩擦学/传感多功能集成。相比现有PVA/PEG水凝胶，BPP材料在成本相当的前提下，机械性能提升2-3倍，为智能防护设备提供了兼具能量耗散与实时监测功能的新型材料平台。未来通过调控孔隙率和离子迁移率，有望进一步优化其传感灵敏度，拓展在运动医学、工业防护等领域的应用。