研究人员创造了一种独特的水凝胶，它既有韧性又可自我修复，这要归功于纳米片增强的聚合物缠结。

这种材料可在数小时内实现自我修复，并有望为人工皮肤、机器人技术和医疗应用带来革命性变革。

模仿皮肤的挑战

凝胶在日常生活中无处不在，从护发产品到食物中的果冻状质地。虽然人类皮肤具有一些类似凝胶的特性，但要复制它却极为困难。皮肤既坚硬又柔软，并且有非凡的自我修复能力——通常在受伤后24小时内就能完全修复。

迄今为止，人造凝胶只能模仿皮肤的僵硬程度或自我修复能力，而不能同时模仿两者。来自阿尔托大学和拜罗伊特大学的一支研究团队现已克服了这一局限性。他们开发出一种具有独特结构的水凝胶，兼具强度和自我修复能力，为药物输送、伤口愈合、软体机器人和人造皮肤等领域的发展铺平了道路。

通过纠缠实现力量与自我修复

在这项突破性研究中，研究人员通过添加超薄大型粘土纳米片增强了水凝胶的性能。水凝胶通常柔软易变形，但这种新材料在纳米片之间形成了高度有序的结构，聚合物紧密缠结。这不仅增强了水凝胶的强度，还使其能够在受损后实现自我修复。

该研究已于今日（3月7日）发表在享有盛誉的《自然·材料》杂志上。

一个简单却强大的流程

这种材料的秘诀不仅在于纳米片的有序排列，还在于它们之间纠缠的高分子，以及一个像烘烤一样简单的过程。博士后研究员陈亮将单体粉末与水（含有纳米片）混合。然后将混合物置于紫外线灯下——类似于用来固定凝胶指甲油的灯。“来自紫外灯的紫外线辐射使单个分子结合在一起，从而使所有物质变成弹性固体——凝胶，”陈亮解释道。

来自阿尔托大学的张航补充道：“纠缠意味着这些薄薄的聚合物层会像细小的羊毛纱线一样开始相互缠绕，但顺序是随机的。当聚合物完全纠缠在一起时，它们之间就难以区分了。在分子水平上，它们极具动态性和流动性，当你切断它们时，它们会再次开始相互缠绕。”

快速且完全痊愈

用刀割开后仅四小时，这种材料便已经自我修复了 80% 或 90%。24 小时后，它通常便能完全修复。此外，一毫米厚的水凝胶包含 10,000 层纳米片，这让这种材料的硬度与人类皮肤相当，并使其拥有了可媲美的拉伸度和柔韧性。

“僵硬、强韧且具备自我修复能力的水凝胶一直是个挑战。我们已经发现了强化传统软质水凝胶的一种机制。这可能将为具有仿生特性的新型材料的开发带来革命性变革，”张（Zhang）说道。

受自然启发的创新

“这项工作是一个激动人心的例子，说明了生物材料是如何启发我们去寻找合成材料性能的新组合的。想象一下拥有强健自愈皮肤的机器人或自主修复的合成组织，”来自阿尔托大学的奥利·伊卡拉说道。尽管距离实际应用可能还有很长的路要走，但目前的结果却是一次关键的飞跃。“这是一项基础发现，可能会改写材料设计的规则。”

参考文献：2025年3月7日，《自然-材料》（Nature Materials）期刊上发表的，由陈亮、沃洛德米尔·杜德科、奥莉娜·霍鲁任科、洪晓丹、吕中鹏、伊莎贝尔·通、穆罕默德·乌迈尔、雅克科·维·艾·蒂莫宁、马尔库斯·B·林德、约瑟夫·布鲁、奥利·伊卡拉和张航合著的“通过共面纳米限域中的聚合物缠结制备的僵硬且具有自愈合能力的水凝胶”一文。DOI：10.1038/s41563-025-02146-5。

此次合作由张航博士、奥利·伊卡拉教授和约瑟夫·布鲁教授共同主导。合成粘土纳米片由位于德国拜罗伊特大学的约瑟夫·布鲁教授设计并制造。