大家好！今天一起来了解一种多孔分层有序水凝胶，它有着独特的结构和性能，在生物医学等领域潜力巨大。
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一、水凝胶研究背景
生物组织结构复杂且分层有序，仅靠少量成分就能产生多样特性。在生物医学应用里，仿生应变硬化、高度可逆变形以及利于细胞增殖的微观结构，对复制软组织至关重要。
水凝胶因高含水量，利于营养物质和代谢废物运输，是模拟自然组织的理想材料。但普通单一聚合物网络的交联水凝胶，机械性能范围有限。虽然合成化学进步让一些材料能模仿自然组织特性，可这些水凝胶往往缺乏分子网络之外的结构和有序性。还有些水凝胶虽有分层、各向异性结构，却难以大规模制备，应用受限。
这种通过快速自组装制备的物理交联分层有序水凝胶，其孔径和微观结构能带来可逆变形和非线性弹性，很值得研究。
二、水凝胶制备过程
制备这种水凝胶，用的是一种含疏水A和亲水B结构域的两亲性ABA三嵌段共聚物。把它溶解在与水混溶的有机溶剂里，再注入水中，就会在纳米和微观尺度自发组装。在纳米尺度，疏水端块自组装成胶束核心，亲水中间块把这些胶束连接起来，形成网络。
微观尺度上，因为与水浴发生溶剂交换，引发宏观相分离，在胶束网络内形成孔隙，最终得到类似骨骼肌细胞外基质的多孔网络水凝胶。而且，这种分层多孔水凝胶制备很简单，一步就能完成，无需外力或模板，还能根据需求调整材料特性，方便扩大生产规模。研究中选用注射法制备的水凝胶纤维，是因为它更均匀，也和之前的研究保持一致。
三、水凝胶结构表征
在表征水凝胶结构时，先看纳米尺度。用透射电子显微镜（TEM）和小角X射线散射（SAXS）来观察。TEM下，两种溶剂中胶束直径都是20±1nm。SAXS测量发现，胶束网络呈无序排列，平均中心距为80nm，而且研究中样品条件变化对纳米结构影响不大。
再看微米尺度，用小角光散射（SALS）、荧光共聚焦显微镜和低温扫描电子显微镜（Cryo-SEM）来研究。SALS数据显示，用四氢呋喃（THF）制备的水凝胶，孔隙壁沿水凝胶长轴择优取向。荧光共聚焦显微镜确认了水合状态下水凝胶孔隙的存在，还发现孔隙高度取向。Cryo-SEM给出了垂直于纤维轴的多孔微观结构的详细图像，用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）制备的水凝胶有同轴形态，而用THF制备的水凝胶孔径随浓度增加而减小，且孔径分布变窄。
四、水凝胶性能关联
水凝胶的多孔微观结构对其机械性能影响很大。所有样品弹性模量低（E<1kPa），却能可逆拉伸至原长很多倍。用DMF制备的样品在大应变下有非线性弹性和高断裂伸长率，这和它的同轴形态有关。用THF制备的样品，随着浓度增加，平均孔径减小，水凝胶的极限拉伸强度、杨氏模量和韧性都增加。而且，所有水凝胶纤维在拉伸至原长六倍的情况下，至少能进行五次加载和卸载循环，且无滞后现象。通过原位透射光显微镜和SAXS测量发现，应变时孔隙先变形，应力转移到胶束网络后，聚合物链才开始伸展，这就导致了大应变下的非线性弹性行为。
五、水凝胶研究讨论
这种水凝胶自组装形成的复杂结构，让它具备低模量、高拉伸强度、高延展性、低滞后和大应变下非线性弹性等特性。这些特性在合成水凝胶中很难同时实现。和其他水凝胶相比，它的灵活性可与超分子和互穿网络水凝胶媲美，而且不存在它们那样的可逆性受限问题。虽然未来还需进一步研究分子结构对其性能的影响，扩大可调控的机械性能范围，但这种水凝胶已经为生物材料研究开辟了新方向，有望通过调整微观结构来定制细胞支架和生物医学材料。
六、一起来做做题吧
1、关于生物组织与水凝胶的描述，正确的是？
A. 生物组织由多种复杂成分构成多样结构
B. 普通交联水凝胶机械性能多样
C. 合成化学制备的水凝胶都有复杂结构
D. 水凝胶因含水量高不利于营养运输
2、制备多孔分层有序水凝胶使用的两亲性 ABA 三嵌段共聚物，在制备过程中，疏水 A 端块的作用是？
A. 形成胶束核心，作为物理交联点
B. 连接胶束形成网络
C. 促进溶剂交换
D. 决定水凝胶的颜色
3、在表征水凝胶纳米尺度结构时，使用的主要方法是？
A. 小角光散射（SALS）和荧光共聚焦显微镜
B. 透射电子显微镜（TEM）和小角 X 射线散射（SAXS）
C. 低温扫描电子显微镜（Cryo-SEM）和 SALS
D. 原子力显微镜（AFM）和 TEM
4、关于用 DMF 和 THF 制备的水凝胶，说法正确的是？
A. 用 DMF 制备的水凝胶孔径随浓度增加而减小
B. 用 THF 制备的水凝胶有同轴形态
C. 用 DMF 制备的水凝胶在大应变下有非线性弹性
D. 用 THF 制备的水凝胶断裂伸长率更高
5、这种多孔分层有序水凝胶在生物医学领域有潜在应用，主要原因是？
A. 制备过程简单
B. 具有独特的微观结构和机械性能
C. 颜色美观
D. 成本低廉
参考文献：
Lloyd, E.C., et al. Porous hierarchically ordered hydrogels demonstrating structurally dependent mechanical properties. Nat Commun 16, 3792 (2025).
