［本站讯］近日，山东大学集成电路学院/未来技术学院钱凯教授团队在“医工交叉-人体组织修复及健康监测”领域取得新进展。该团队创新性地设计出一种普适性水分子输运调控策略，能够实现对水凝胶机械性能的增强与精准调控。相关成果以“Strong Tough Hydrogel with Regional Programmable Mechanical Properties via Universal Physical Directional Anneal-Casting Strategy for Bioengineering”为题，发表在Small Structures(JCR一区，IF:13.9)，集成电路学院博士研究生朱赫为论文第一作者，山东大学集成电路学院为该论文第一完成单位。

在生物电子工程和组织修复领域，水凝胶因其生物相容性、机械柔韧性以及理化性质灵活可控等显著优势成为备受瞩目的理想候选材料。然而，传统水凝胶材料由于固体含量低、交联松散及内部结构单一，致使其机械强度不足，严重限制了水凝胶在高强度组织修复场景中的应用。尤其是难以在单网络水凝胶中实现机械特性增强及力学性质梯度渐变，致使水凝胶无法精准匹配复杂人体组织的高强度梯度力学性能，进而阻碍了其在复杂仿生器官制造领域的进一步发展。

图1 基于定向退火策略制备高强度水凝胶

针对上述难题，本研究提出了绿色物理交联的定向退火铸造策略，通过巧妙调制水凝胶内部自由水的定向迁移，成功构建出具有多尺度分层结构的水凝胶，展现出可定制的强韧力学性能。以单网络聚乙烯醇（PVA）水凝胶为例，通过水分子输运调控，在高含水量（~80%）状态下，可使其断裂强度从0.54 MPa提升约60倍至31.8 MPa，且杨氏模量可在~0.13-77.2 MPa范围内可调，实现对不同人体组织在微观结构、含水量、力学特性等方面的精准仿生。此外，该策略可用在聚丙烯酰胺和海藻酸钠等水凝胶体系中，实现力学性能显著提升，具有较好的普适性。实验表明，经过定向退火处理后，聚丙烯酰胺水凝胶的极限强度可以从0.02 MPa提升至0.19 MPa；海藻酸钠水凝胶的极限强度则从0.5 MPa显著提高至5.6 MPa。尤为重要的是，此方法能在同一水凝胶单元内实现机械性能的区域调控，即在水凝胶的不同区域可独立调制杨氏模量和韧性等特性，同时保持出色的界面连接性，使其能够高度适配各种复杂的天然组织。得益于此方法制备的水凝胶大范围精准可调性，其既可用作收集电生理信号的低模量表皮电极，通过搭建电路系统，能够实现人体生理信号的高效采集（如心电和肌电信号），也能作为高强度植入式人工韧带，助力损伤韧带的重建，并为康复训练提供有力指导。这一研究成果有望推动智能水凝胶材料在生物电子工程和组织修复技术的进一步发展。

图2 定向退火制备的水凝胶用于（a）心电监测的表皮电极和（b）植入式人工韧带

钱凯教授团队长期聚焦于从事智能柔性“感-存-算一体化”电子器件研究，主要包括忆阻器 (RRAM) 存储/类脑神经芯片、集成电路封装、透明可穿戴电极、医疗健康监测及组织修复传感器等研究领域并取得了一系列进展。