近日，我校化学与化工学院从怀萍教授研究团队与中国科学技术大学俞书宏院士研究团队合作，在高强韧智能水凝胶材料领域取得系列重要进展。相关研究成果以“Ultra-Tough Single-Network Hydrogels via the Synergy of Defect Elimination and Dual Crosslinking”和“Robust and Fast-Transforming Soft Microrobots Driven by Low Magnetic Field”为题，分别发表于国际著名学术期刊《先进材料》（Advanced Materials 2025, 2417795；Advanced Materials 2025, 2505193）。论文的第一作者分别是化学与化工学院硕士生夏圆圆和博士生胡钦南，硕士生王圆圆，通讯作者为我校秦海利副教授、从怀萍教授和中国科学技术大学俞书宏院士。

水凝胶作为一种具有高含水量的软材料，在生物医学、柔性电子器件、软体机器人等领域具有重要应用。通过传统自由基反应制备的水凝胶普遍存在交联点分布不均和大量悬垂链等网络结构缺陷，严重制约了材料的力学强度和韧性。尽管引入牺牲性结构/作用力可提升韧性，但往往伴随着高滞后性，难以实现高强度、高韧性与低滞后的统一。针对这一挑战，研究团队提出了“分子经济”策略，一方面，使用表面修饰乙烯基的二氧化硅纳米颗粒作为纳米交联剂，实现了交联点的单分散均匀分布，显著改善了网络的空间均匀性。另一方面，创新性地设计合成了金纳米颗粒负载光引发剂作为纳米引发剂。在聚合过程中，通过金属配位键，将传统网络中游离的、无承载能力的悬垂链末端有效交联到整个三维网络中。得益于这种独特的网络结构设计，所制备的单网络水凝胶韧性在82wt%含水量下，断裂韧性高达78500J·m^-2，疲劳阈值达到2480J·m^-2，还保持了极低的滞后性（400%应变下滞后值仅为0.07），打破了传统材料中高韧性与高滞后相伴而生的困境。同时，消除悬垂链改善了界面接触和对渗透压的抵抗能力，使得材料在水下能快速实现界面粘合，并可在近红外光照射下高效修复，展现出优异的水下自愈合性能，突破了传统单网络水凝胶材料性能瓶颈，在水下柔性器件领域展现出良好应用潜力。

图1：三种水凝胶网络结构示意图

图2：水凝胶力学和水下修复性能

水凝胶基磁驱软体微型机器人因其体积小、结构柔性和生物相容性等优势，在靶向药物递送、微创手术等生物医学领域具有广阔前景。然而，现有技术面临关键挑战：传统多畴磁性材料需强磁场驱动，易对生物组织产生热效应干扰；为提高磁驱动性能，高磁性填料构筑的软体微型机器人常因机械性能不足难以承受复杂环境操作。如何在低磁场下实现快速变形与机械强韧性的统一，是制约该领域发展的难题。针对这一挑战，研究团队提出了“单畴磁组装”策略，选用高矫顽力、高磁饱和强度的单畴钕铁硼磁性纳米颗粒作为响应单元，通过原位引发聚合制备了新型核/壳结构聚合物刷纳米复合墨水。进一步发展了磁场辅助精密制造技术，诱导单畴磁性单元沿磁力线有序排列，实现了80微米超细纤维的精准成型打印及可控磁畴编程。通过编程磁畴排布，构筑了可执行转向、滚动、下潜/上浮等复杂动作的微型软机器人，展示了其在模拟血管环境中完成穿越障碍运送货物、载药胶囊精准投送任务的能力。该研究工作通过单畴磁性纳米结构组装策略解决了低场驱动与机械强韧性的矛盾；开发的聚合物刷磁性墨水为柔性电子提供新型制造平台，为下一代生物医用微型机器人奠定了基础。

图3：磁驱动仿生微型机器人构筑示意图

图4：可编程磁驱动微型机器人在低磁场下的运动能力

以上研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省高校协同创新项目以及安徽省科技重大专项等项目的资助。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202417795

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202505193

（秦海利/文、图 从怀萍/审核）

责任编辑：卫婷婷