超支化结构赋能 中南民大团队构建高强高韧聚丙烯酸水凝胶

水凝胶作为一种具有三维网络结构的高分子材料，因其高含水量、良好生物相容性和可调控的力学性能，在组织工程、柔性电子、软体机器人等领域展现出广阔的应用前景。传统水凝胶往往面临强度与韧性难以兼得的问题，限制了其在高负载场景下的实际应用。中南民族大学张道洪教授/姜宇副教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于超支化结构构建高强高韧聚丙烯酸水凝胶的新策略，为高性能水凝胶的设计提供了全新思路。

超支化聚合物具有高度支化的三维拓扑结构、丰富的末端官能团和较低的链缠结密度，理论上可同时提升材料的强度和韧性。受此启发，研究团队设计了一种超支化聚丙烯酸（HB-PAA）作为构建单元，通过调控超支化结构与线性聚丙烯酸（L-PAA）之间的协同作用，成功制备了系列高强高韧水凝胶。实验表明，当超支化聚合物含量为10 wt%时，水凝胶的拉伸强度达到8.5 MPa，断裂伸长率高达1200%，韧性达到48 MJ/m³，远优于纯线性聚丙烯酸水凝胶（强度约1.2 MPa，韧性约5 MJ/m³）。

研究团队通过系统的结构表征和力学测试，揭示了超支化结构增强增韧的机理：超支化聚合物的多臂结构可形成密集的物理交联点，有效耗散能量；其末端丰富的羧基与线性聚丙烯酸链间形成动态氢键网络，赋予材料优异的自恢复性和抗疲劳性能；超支化结构还可诱导线性链的取向排列，进一步提升材料的拉伸强度。该水凝胶还表现出良好的透明性、可拉伸性和抗缺口敏感性，在多次循环拉伸后仍能保持稳定的力学性能。

该项工作不仅提供了一种简便高效的超支化结构调控策略，也深化了对水凝胶结构与性能关系的理解，为设计下一代高性能软材料开辟了新途径。张道洪教授和姜宇副教授为共同通讯作者，论文第一作者为团队硕士研究生。该研究得到了国家自然科学基金和湖北省自然科学基金等项目的支持。团队将进一步探索该水凝胶在生物医学、柔性传感等领域的应用潜力。