氢键工程可以将延展性、韧性和自愈性传递给材料，尽管传统氢键的增强效应因其弱的相互作用强度而受到限制。例如，由于海藻糖诱导的强氢键相互作用，生物体可以承受极端条件。在最近发表在《科学进展》上的一份新报告中，韩子龙和中国浙江大学的智能设备和工程力学科学家团队描述了一种海藻糖网络修复方法。他们通过类似共价键的氢键相互作用实现了这一点，以改善水凝胶的机械性能，同时允许水凝胶耐受极端条件，同时保持合成的简单性，适用于各种应用。海藻糖改性水凝胶具有多种力学性能，包括在一定温度范围内的强度、拉伸性和断裂韧性。脱水后，研究小组注意到，与未改性材料相比，改性材料保持了高弹性，并保留了功能性。该方法是一种合成具有良好耐受性和高延展性的坚韧水凝胶的通用方法，具有广泛的应用前景。

水凝胶网络与仿生进展

水凝胶具有生物相容性、导电性和机械可调性，具有光学透明性，是组织工程、微透镜开发、离子导体和软机器人的理想材料。许多应用依赖于材料在各种条件下的结构、稳定性和机械性能，包括脱水和低温。然而，水凝胶中的网络缺陷对其机械性能有相当大的影响，导致其降解，低温下的水结晶会加剧降解，导致此类材料结合装置出现故障。由于理论和实验之间存在差距，材料科学在修复水凝胶网络缺陷方面存在很大潜力。材料科学家往往受到大自然的启发，开发出生物材料。例如，水熊（缓步动物）可以忍受极端的温度，以承受几乎完全的脱水和高压，它们通过合成大量海藻糖来适应高压。海藻糖分子可以通过海藻糖中的羟基和生物分子中的极性基团之间的强相互作用来稳定生物分子，同时防止水在低温下结晶。Han等人因此受到海藻糖及其衍生物独特性质的启发，利用共价氢键相互作用形成水凝胶的有效修复剂，从而赋予水凝胶自愈性，海藻糖及其衍生物具有环境生物相容性和良性。

海藻糖网络修复方法

水凝胶网络存在各种缺陷，包括链和环缺陷。Han等人展示了在聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶中添加海藻糖如何导致海藻糖分子和长聚合物链中的极性基团之间形成强氢键。海藻糖和水凝胶网络之间存在许多相互作用的途径。研究团队利用“材料工作室”研究水凝胶中水分子（W-W）、海藻糖（T-W）和PAAm分子（P-W）之间的相互作用强度，并基于密度泛函理论（DFT）模拟分子结构以计算相互作用能结果表明，与水和聚合物水之间的相互作用能相比，海藻糖-水（T-W）之间的相互作用能更小。根据DFT计算，Han等人对P-T（聚合物-海藻糖组合）进行了说明，表明四极氢键的相互作用能为-68.36 Kcal/mol，具有强共价性质。

表征研究和增强效应

研究团队使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和质子核磁共振（1H-NMR）光谱来表征海藻糖诱导的氢键。他们通过衰减全反射FTIR光谱表征了水凝胶在其原始水合状态下的氢键相互作用，以了解他们经受冷冻干燥和研磨的水凝胶如何与原始水合状态不同。结果表明，海藻糖和PAAm链之间形成了分子间氢键。然后，研究小组利用质子核磁共振证实了海藻糖和PAAm聚合物之间这种氢键的共价性质。在额外的实验中，Han等人合成了一系列海藻糖与PAAm聚合物重量比分别为0、10、20和30%的水凝胶，并通过测量缺口和完整样品的应力-拉伸曲线来表征其力学性能。与纯PAAm水凝胶相比，研究小组注意到，在不同海藻糖浓度的溶液中浸泡的水凝胶的拉伸性和强度显著增强，同时剪切模量也增加。科学家们还通过纯剪切试验计算了材料的断裂韧性。

改性材料的性能

Han等人接着研究了材料的温度、脱水性能和一般应用。由于海藻糖可以赋予水凝胶抗冻性能，他们探索了海藻糖修饰的PAAm水凝胶在低温下的力学行为。在零下15摄氏度时，无海藻糖的PAAm水凝胶完全冻结，变硬变脆，但海藻糖修饰的水凝胶仍保持其高拉伸性和柔韧性。该团队通过纯剪切试验测量了材料的断裂韧性，该试验随着海藻糖含量的增加而增加。为了测量从浆料到冷冻状态的转变温度，该团队通过动态扫描量热法对具有不同成分的PAAm水凝胶进行了表征，并展示了转变温度如何随着海藻糖含量的增加而降低。

应用程序和展望

在改性水凝胶制备过程中，该团队将过硫酸铵作为引发剂引入自由离子，包括NH4+、S2O82−, HSO4−, H+和SO42−, 在水凝胶中，其电导率约为0.32 S/m，在低温下变得不导电。与低温下相比，海藻糖改性材料由于其冷冻性质而保持其导电性。使用改性材料，Han等人在零下5摄氏度的温度下点亮了发光二极管（LED），而不含海藻糖的材料没有显示出类似的容量。25℃至-15℃之间的电导率降低，海藻糖的质量分数增加，改性水凝胶也保持了良好的电导率和优异的机械性能。

通过这种方式，韩子龙和同事开发了一种多功能策略，以提高各种水凝胶的机械性能，包括PAAm（聚丙烯酰胺）、PVA（聚乙烯醇）和PAAm海藻酸盐水凝胶。改性材料保持了合成的简单性，同时耐受不利的环境条件。海藻糖通过在自身和聚合物链之间形成共价氢键起到网络修复剂的作用。因此，随着海藻糖含量的增加，研究小组注意到材料的强度、拉伸性和断裂韧性显著增加。该策略提供了一种在各种条件下改善水凝胶力学性能的通用方法，以扩大水凝胶的应用范围。