Nat Synth | 林秋宁团队破解软材料增强的密码

摘要：你可能见过果冻一样的水凝胶——软软的、弹弹的，里面大部分是水。它们在医学、3D 打印、可穿戴设备里都有大用处：可以做人工血管、用于伤口敷料，甚至能当作柔性传感器的基底。水凝胶的独特之处在于，它们和人体软组织的质地非常接近，甚至能为细胞提供类似天然环境的支撑。

你可能见过果冻一样的水凝胶——软软的、弹弹的，里面大部分是水。它们在医学、3D 打印、可穿戴设备里都有大用处：可以做人工血管、用于伤口敷料，甚至能当作柔性传感器的基底。水凝胶的独特之处在于，它们和人体软组织的质地非常接近，甚至能为细胞提供类似天然环境的支撑。

然而问题也很明显：它们太脆弱了。轻轻一拉就断，随便一扭就坏，远远达不到真正走向临床和工业应用的要求。近年来，科学家们一直在寻求不同的方法让这种“果冻”一样的材料既保持柔软，又能变得足够强韧。

一个经典的难题：脆弱的网络

制备水凝胶最常见的方法是光引发自由基聚合。简单来说，就是用光照射，让单体分子像人手拉手一样迅速连成网络。虽然这种方法过程简便、成胶快速，但它的弊端是网络常常不均匀。

在聚合过程中，分子们会优先形成许多“小团伙”——纳米凝胶簇，而这些团簇之间的连接却十分松散。就像在城市里建起了许多孤岛，却缺少坚固的桥梁。这样一来，材料内部就出现了“强的地方很强、弱的地方很弱”的不均匀性。一旦受力，最先崩塌的就是这些薄弱的连接点，导致整体材料过早失效。几十年来，这几乎成了水凝胶领域的“老大难”，并成为制约其实际应用的核心难题。

2025年9月2日，上海交通大学生物医学工程学院林秋宁研究员团队在Nature Synthesis上发表了文章Photocoupling of Propagating Radicals during Polymerization Realizes Universal Network Strengthening。

灵感：把“孤岛”连成大陆

研究团队提出了一个独特的解决思路。他们在常规聚合体系里引入了一种特殊的分子——邻硝基苄基（NB）。

NB 的特点在于“延迟触发”。一开始，它并不会打断分子抱团形成纳米团簇的过程。而在聚合后期，NB 在光照下生成的亚硝基化合物会与团簇自由基偶联，就像在孤岛之间架起坚固的桥梁，把零散的团簇连接成一个整体大陆。

研究者把这一反应称为 PTPC（光触发瞬态–持久自由基偶联反应）。它的妙处就在于时机的掌握：先让“岛屿”自然形成，再恰到好处地将它们连接起来。最终得到的就是一个更加牢固、整体性更强的网络。

效果：果冻变“超韧橡皮”

实验结果惊人。在相同条件下，水凝胶的拉伸强度提升了 20 倍，韧性提高了 70 倍。这意味着，它们从“一捏就碎”的果冻，变成了一块既柔软又能承受拉扯的“超韧橡皮”。过去稍微一拉就断的材料，如今可以被大幅度拉伸而不断裂，还能在受力时分散和吸收能量，从而避免脆性断裂。正是这种跨越式的性能提升，让水凝胶真正具备了承载应用的可能。

应用前景：从柔性器件到人工器官

更令人振奋的是，这一策略几乎不挑材料。不论是明胶、藻酸盐、壳聚糖，还是复合型水凝胶，只要引入 NB，就能显著增强它们的力学性能。

在医学领域，它有望带来更坚韧的人工软骨、耐久的血管支架，以及不易撕裂的伤口敷料；在工程应用中，它能让柔性传感器更抗撕裂，让可拉伸电子器件更稳定；而在前沿想象里，这一策略甚至有望为 “ 隐身材料 ” 或者仿生机器人提供基础支撑。

换句话说，从手术室到实验室，再到未来的科幻应用，这项研究打开了一条从基础材料科学走向应用创新的宽阔道路。

科学的意义：强度的根本突破

这项研究表明，水凝胶力学性能的提升，关键在于网络结构的优化。通过巧妙地把握反应时机，用新的化学策略将原本零散的“孤岛”连成坚固的“大陆”，科学家们实现了普遍意义上的增强。

这不仅为水凝胶的实际应用带来希望，也为更广泛的高分子材料设计提供了新的启示：材料的性能提升，并不总依赖于复杂的分子设计，而是能否在正确的时间点，完成正确的连接。

论文第一作者为鲍丙坤、石楚桐、曾庆梅和陈婷。理论模拟计算由爱尔兰都柏林大学吕京博士完成，吕京博士也是论文的共同通讯作者。研究工作在上海交通大学朱麟勇教授和安徽理工大学/都柏林大学王文新教授的指导下完成。

制版人：十一

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