摘要：张拉整体（tensegrity）结构是一种兼具艺术性与工程性的力学架构，广泛存在于自然界和建筑设计中。该结构由刚性、可承受压缩的构件与连续分布的张力网络共同构成，凭借各部分间的力学协调，实现了高强度-低重量比和优异的力学稳定性。其核心优势在于通过维持网络中张力

张拉整体（tensegrity）结构是一种兼具艺术性与工程性的力学架构，广泛存在于自然界和建筑设计中。该结构由刚性、可承受压缩的构件与连续分布的张力网络共同构成，凭借各部分间的力学协调，实现了高强度-低重量比和优异的力学稳定性。其核心优势在于通过维持网络中张力的连续性来有效分散外加载荷，降低局部应力集中，从而显著提高整体的刚度与韧性。此外，张拉整体结构还表现出力轴向上的双模特性，即在拉伸方向的刚度远高于压缩方向。

近日，南京大学曹毅教授、王炜教授、薛斌副教授团队联合北海道大学龚剑萍教授，受到细胞骨架中张拉整体结构的启发，模拟生物体系的力化学耦合机制，成功将张拉整体结构集成至高含水量的水凝胶材料中。他们利用酶催化反应，诱导氨基酸晶体在聚合物网络中原位自发生长，形成刚性晶体棒与加载预应力的柔性聚合物链之间的力学互锁结构。该结构不仅在不显著降低含水量的前提下，显著增强了水凝胶的力学性能，而且突破了传统水凝胶在强度、刚度与含水性之间难以兼顾的瓶颈。

图1：通过水凝胶内部原位生长氨基酸晶体棒构建张拉整体结构的示意图

所得水凝胶材料表现出独特的双模响应，其拉伸与压缩方向的杨氏模量比高达13，展现出优异的力学各向异性，为仿生材料特别是在组织工程、软体机器人等领域的开发提供了全新的设计思路。该成果以“Hydrogels with prestressed tensegrity structures”为题发表在Nature Communications上。通讯作者为南京大学曹毅教授、王炜教授、薛斌副教授以及北海道大学龚剑萍教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及江苏省自然科学基金等项目的支持。

图2 ：氨基酸晶体与构建张拉整体结构的水凝胶（TG水凝胶）表征图像

图3 ：TG水凝胶中聚合物网络预应力的测量与分析

图4 ：TG水凝胶的拉伸、压缩及双模量力学性能测试结果

图5 ：TG水凝胶中张拉整体结构的形成过程与动力学分析

图6：分子动力学模拟揭示张拉整体结构的形成机制与宏观性能关联

研究团队借鉴细胞外基质与细胞骨架的力学架构，提出了一种结合化学合成与结构力学设计的方法，通过刚性氨基酸晶体棒与柔性聚丙烯酰胺网络协同构建张拉整体结构。在晶体原位生长的过程中，结构的演化伴随机械性能的突变提升。扫描电镜图像直接观察到内部晶体的网络构建，而荧光成像进一步证实了晶体生长引起的网络张力变化。最终，制得的水凝胶实现了约30 MPa的拉伸杨氏模量，同时展现出典型的双模响应特性。分子动力学模拟进一步揭示了结构生成过程中化学反应与力学加载的协同作用。

相较于传统的纤维增强或双网络设计方法，该策略结合力化学驱动与分层自组装机制，在应力加载初始阶段即可实现应力有效转移，从而赋予材料在大应变条件下仍保持完整结构的能力。这项研究为开发兼具高强度、高含水性与结构响应性的仿生水凝胶开辟了新路径，具备在组织工程、智能器件与软体机器人等多种应用场景中的广泛潜力。

来源：高分子科学前沿一点号1