受蜘蛛丝启发，华南理工大学最新Nature子刊

第一作者：Shaoji Wu

通讯作者：Wen Feng, 严玉蓉

通讯单位：华南理工大学

严玉蓉，华南理工大学教授，材料学院博导。2002年7月到华南理工大学高分子系任教至今。于2005年2至2007年8月于华南理工大学轻工站和新会美达股份有限公司博士后工作站从事博士后研究工作。2007年2月到6月于美国Akron大学从事访问研究工作。2005年12月被聘为副教授，2006年被聘为硕士生导师。2007年于美国Akron大学从事访问研究工作。2017年于瑞士联邦材料研究所EMPA访问研究。2009-2016年担任华南理工大学材料学院高分子材料与科学工程系副主任。

论文速览

在柔性电子设备中，理想的水凝胶纤维被用作驱动和传感元件。然而，由于分子（链）相互作用的内在弱点，目前的水凝胶纤维展现出较差的力学性能和环境稳定性。受蜘蛛丝网络结构的多级调节启发，作者构建了具有精细离子交联和结晶域的仿生水凝胶纤维。

这些仿生水凝胶纤维展现出与蜘蛛丝相媲美的韧性，并且通过仿生结构工程策略，可实现其他聚合物和无机盐的广泛可调力学性能。此外，引入无机盐/甘油/水三元溶剂在构建仿生结构过程中，赋予水凝胶纤维抗冻、保水和自再生的特性。该工作为制造具有高力学性能和稳定性的水凝胶纤维提供了新思路。

图文导读

图1：受蜘蛛丝启发，设计的具有离子和结晶域交联的水凝胶纤维。

图2：S-PAZr水凝胶纤维的结构演变和增韧机制。

图3：S-PAZr水凝胶纤维的力学性能。

图4：BSE策略被推广到Hofmeister效应敏感聚合物和无机盐的不同组合。

图5：S-PAZr水凝胶纤维的环境耐受性。

图6：S-PAZr水凝胶纤维的柔性传感性能。

总结展望

本研究提出的仿生结构工程策略（BSE）制备了具有高力学性能和环境耐受性的水凝胶纤维。通过精细调节离子交联和结晶域，这些纤维展现出与蜘蛛丝相媲美的韧性（162.25 ± 21.99 MJ/m³），并且能够通过改变离子交联和结晶域的浓度轻松定制其机械性能，特别是弹性模量可以从凝胶级别提高到聚乙烯水平（3.74 ± 0.16 MPa至118.53 ± 5.49 MPa）。

此外，由于甘油的强大氢键效应和无机盐的水合效应，仿生水凝胶纤维在-40 °C下展现出0.0014 mS/cm的电导率和优异的机械性能（应力>50 MPa，应变>200%），并且能够自发地从空气中捕获水分子以自修复到原始状态。BSE策略的普适性也得到了验证，适用于不同的霍夫迈斯特效应敏感聚合物和无机盐组合。考虑到离子协调和Hofmeister效应在各种聚合物和溶剂系统中的普遍性，相信BSE策略可以应用于更多系统，以推动其应用。

文献信息

标题：Spider-silk-inspired strong and tough hydrogel fibers with anti-freezing and water retention properties

期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-48745-9