水凝膠是一類具有三維化學或物理交聯網絡結構并且網絡空隙中充滿了水作為分散介質的軟材料，其類似于生物軟組織，具有獨特的微環境（高含水量和通透性）和自適應的特點，在藥物遞送、組織工程、柔性電子器件等多領域展現出廣闊的應用前景，將對我們的日常生活、生命健康等方面產生重要影響。

圖1 生活中常見的水凝膠材料

其中，由于制備過程中不發生化學反應，以及無有毒原料（單體、引發劑等）殘留，直接用高分子作為原料制備的物理交聯水凝膠表現出更優的環境友好性和生物相容性，因而受到了廣泛地關注。但是，由于高分子具有長鏈結構，難以屏蔽的高分子鏈內相互作用使其通常具有卷曲構象，不利于高分子鏈間相互充分發揮作用以形成穩固交聯網絡，因此以高分子為原料的物理水凝膠的力學性能差且不抗溶脹。因此，如何設計構筑力學性能穩定且優異的水凝膠是當前研究熱點之一且具有重要現實意義。

中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室邱東研究員課題組近年來致力于強韌水凝膠的開發與功能化研究，取得了系列進展。他們首次提出了“連體網絡”增強策略，通過將兩個或多個網絡連接耦合并且協同作用，大幅度提升了水凝膠的力學性能，開發了可與人體組織力學性能媲美甚至更強韌的水凝膠材料；同時，還實現了水凝膠的多功能化，開發了黏附型水凝膠、耐鹽性水凝膠、表面具有褶皺結構的仿生水凝膠。

圖2 基于溶劑置換的時域調控非共價相互作用的策略

最近，中國科學院化學研究所邱東課題組和喬燕課題組合作，從調控高分子鏈間相互作用的角度出發，聯合提出了通過溶劑置換調節非共價相互作用的時域表達來優化高分子交聯網絡結構的策略，并成功用于制備抗溶脹強韌水凝膠（exogels）。

溶劑與高分子之間的親和性對高分子內/間非共價相互作用有著重要的影響，進而可以影響高分子的構象和分布，在良溶劑中，高分子鏈內/間非共價相互作用均被抑制，有助于高分子鏈保持伸展的構象和均一貫穿的分布；置換為不良溶劑后，高分子鏈間非共價相互作用得以最大化恢復，從而提高交聯點密度和均勻性。

研究團隊利用二甲基亞砜（DMSO）-水溶劑對，通過時域調控氫鍵制備了聚乙烯醇（PVA）exogels。由于DMSO是更強氫鍵受體，將優先與PVA形成氫鍵，從而抑制PVA分子鏈內/間的氫鍵，有利于PVA保持伸展構象和均一排布；被水（弱氫鍵受體）置換后，PVA鏈間氫鍵得以最大程度恢復，從而形成緊密均勻的網絡。

因此，PVA exogels的力學性能和抗溶脹性能均顯著優于經典冷凍-解凍法制備的水凝膠（PVA cryogels）。此外，以水為終端溶劑驅動的溶液-凝膠轉變使得PVA exogel具備對多種基材的水下粘附性能。此項工作對于高性能水凝膠的設計和制備具有指導意義，并可以拓寬水凝膠在水下粘接、組織工程和軟體機器人等領域的應用。

圖3 PVA exogel的力學性能和抗溶脹性能

相關研究成果發表在近期的 Advanced Materials雜志上（Adv. Mater. 2020, 32, 2004579），并選為當期的Back Cover。通訊作者是邱東研究員和喬燕研究員，第一作者是徐禮桔博士。研究工作得到國家自然科學基金委和中國科學院的支持。