近几年，水凝胶已经成为 Nature、Science、Advanced Materials、Nature Materials 等顶级期刊持续关注的重要材料体系！
本次华算科技整理了100+水凝胶结构与机制：涵盖基础结构、交联方式、智能响应、功能设计和微观结构五大模块。
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什么是水凝胶结构？
水凝胶的性能，很大程度上取决于网络结构，而不仅仅是材料组成。即使使用相同的聚合物，不同的结构设计，也可能使材料在强度、韧性、传质、自修复和响应性能上产生明显差异。
常见的水凝胶结构包括单网络、双网络、互穿网络、多孔结构、核壳结构、梯度结构等，不同结构对应不同的设计目标。
单网络水凝胶由一套连续高分子网络组成，制备简单、含水率高，但交联点有限，受到外力时容易发生局部断裂，因此力学性能通常较弱。
双网络水凝胶（DN）由两套性质不同的网络组成，一般采用刚性网络承载应力、柔性网络耗散能量，可同时提高强度和韧性，是目前高强韧水凝胶最经典、应用最广泛的结构设计。
三网络水凝胶进一步引入第三套网络，在保持韧性的同时提高模量、抗疲劳性能和长期稳定性，适用于高载荷环境。
互穿网络（IPN）由两套相互贯穿但彼此独立的网络组成，可兼顾不同聚合物的性能，提高综合力学性能和功能化能力；半互穿网络（Semi-IPN）则只有一套网络交联，另一套以线性链形式存在，更有利于后续改性。
多孔结构通过构建大量连通孔道，提高比表面积，缩短扩散路径，促进离子、分子和营养物质传输，因此广泛用于组织工程、电解质、药物释放等领域。
梯度结构通过调控交联密度、孔径或组成沿空间连续变化，降低界面应力集中，提高整体稳定性，在软组织修复和柔性器件中应用较多。
核壳结构将不同功能分别布置在内核和外壳，例如内核负责负载活性组分，外壳负责保护或控制释放，实现结构与功能分离。
什么是水凝胶交联机制？
交联机制决定了水凝胶网络如何形成，也决定了材料最终具有怎样的力学性能、稳定性和功能特性。相同的聚合物体系，采用不同的交联方式，得到的凝胶在强度、韧性、自修复能力以及环境响应性能上往往存在明显差异。
按照作用方式，交联机制主要分为物理交联、化学交联、动态共价交联和超分子交联四大类。
物理交联主要依靠氢键、静电作用、疏水缔合、π-π相互作用、链缠结等非共价作用形成网络。这类交联无需引入交联剂，具有可逆性，能够在网络断裂后重新形成，因此广泛应用于自修复和刺激响应水凝胶，但稳定性通常低于化学交联。
化学交联通过共价键将聚合物永久连接，网络结构稳定，机械强度高，不易溶解或降解，是传统高强度水凝胶最常见的构筑方式。但共价键不可逆，受到较大外力后难以自行恢复。
动态共价交联兼具共价键的稳定性和可逆键的重构能力。席夫碱键、硼酸酯键、二硫键、酰腙键等能够在特定条件下发生断裂与重组，因此成为近年来自修复、高韧性水凝胶的重要设计策略。
超分子交联依赖主客体作用、金属配位、多重氢键等可逆相互作用构建网络，可实现快速组装、动态调控和多功能集成，在柔性电子、生物医用材料和智能器件中应用广泛。
刺激响应型水凝胶
刺激响应型水凝胶能够感知外界环境变化，并通过体积、形状、孔结构或网络状态的改变作出响应，因此又被称为智能水凝胶。其核心特点不是材料组成发生变化，而是网络结构能够根据外界刺激实现可逆调控。
根据刺激来源不同，可分为温度响应、pH响应、光响应、电响应、磁响应、离子响应、氧化还原响应等多种类型。
功能型水凝胶
功能型水凝胶是在保持三维网络结构的基础上，引入特定功能，使材料除了具备基本支撑作用外，还能够实现导电、自修复、粘附、抗菌、传感等特殊性能。
水凝胶涉及的结构类型、交联策略和功能设计远不止这些，实际研究中，不同体系往往会同时结合多种网络结构、交联机制和微观设计，最终形成复杂的协同效应。
本次整理了100+水凝胶结构与机制：涵盖基础结构、交联方式、智能响应、功能设计和微观结构五大模块。
全部采用分类汇总的形式，方便组会、课件、科研绘图和方案设计时快速查阅！
