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据来自北卡罗莱纳州立大学的一项新研究表明，人们可以通过将海藻中相同材料的微米和纳米尺寸的网络融合在一起，来创建改善的且高度受控的特性的3D可打印凝胶。该发现可能会应用于生物医学材料（例如用于生长细胞的生物支架）和软机器人。该研究成果2021年5月14日发表在Nature Communications上。

由聚合物网络在水中制成的水凝胶通常柔软且易碎，通常缺乏广泛应用所需的弹性和韧性，如在组织支架、食品、软机器人和柔性电子产品中。这些材料的弹性可以通过结合互穿共价和离子聚合物网络来形成高度可拉伸和坚韧的水凝胶来改善。改善和增强水凝胶机械性能的另一种方法是通过加入高纵横比的填料（例如纤维）来机械增强凝胶基质。纤维增强水凝胶可作为细胞生长的综合生物支架。纤维网络提供了对水凝胶硬度的强大控制，并且可以模拟生理学细胞外基质的形态，该形态已证明会影响细胞的活性，分化和反应。通过纤维增强来控制水凝胶应力传播在诸如软机器人等应用中也很有用，因为它可以实现非线性变形模式和抗摩擦滑动的耐久性。然而，使用由与基质不同的材料制成的填料会引入应力界面，当复合水凝胶受到应变或加热时，应力界面会导致裂纹形成。

一种不同的材料设计方法是使用单一聚合物复合材料或所谓的同质复合材料。同质复合材料的中尺度增强网络由化学上与初级基质相同的材料制成。均质复合增强网络可调节基质的机械性能，而不会产生应力集中，分层或其他因界面不相容而引起的问题。在用于3D打印的多相硅氧烷糊剂中，使用由前体液体弹性体的毛细管桥结合的弹性体颗粒也设计了均相复合制剂。连续相和增强相的化学相似性提供了出色的附着力和增强的载荷传递。先前的研究还表明，具有纤维增强材料的均质复合材料可实现量身定制的熔体流变学，并具有更高的拉伸模量和强度。它们是通过使用热塑性聚合物结晶相之间的熔融温度差异作为加工窗口制成的。然而，由于缺乏构建具有与水凝胶基质相同化学组成的增强网络的技术，均复合水凝胶?(homocomposite hydrogels, HHG)?的制造仍然具有挑战性。

来自北卡罗来纳州立大学的研究人员报告了一类HHG，其中主要的凝胶基质和增强网络均由藻酸钠?(sodium alginate, SA)?制成。海藻酸盐水凝胶被广泛用于各种技术应用中，例如生物医学植入物，组织工程支架和食品等。这些HHG由藻酸盐软树突状胶体?(soft dendritic colloids, SDC)?的原纤维网络增强。

图1. 藻酸钠软树突状胶体的湍流剪切驱动沉淀和形貌▲图解：a. 在湍流介质中通过沉淀形成SA SDC的过程示意图。b海藻酸钠软树突状胶体的光学显微镜和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像。这些图像说明了SDC的分层原纤维形态，从而导致了高的排阻体积，强大的范德华粘合性和极高的凝胶化倾向。

研究结果在《自然通讯》杂志上进行了描述，结果表明，这些水性凝胶（称为均质复合水凝胶）既坚固又柔韧。它们由藻酸盐组成，藻酸盐是在海藻和藻类中发现的化合物，通常用作增稠剂和伤口敷料。

北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程和本文通信作者的Orlin D. Velev权威教授说表示，将同一藻酸盐的不同规模规模的网络合并在一起，可以消除在水凝胶中将不同材料合并在一起时有时会出现的脆弱性。

水基材料可能柔软而易碎。但是这些均匀复合的材料（在藻酸盐介质中的柔软的原纤维藻酸盐颗粒）实际上是两种水凝胶：一种是颗粒水凝胶，一种是分子水凝胶。将它们混合在一起会产生比总和更好的果冻状材料。它的零件，其属性可以通过3D打印机进行精确调整，以进行按需制造。

图2. 均质复合水凝胶的3D打印▲图解：a. SA HHG墨水的3D打印示意图和图像。b在添加GDL之前，以6.23 rad / s的速度测量含有1.5％总重量％的含有CaCO3纳米颗粒的SA和SDC / SA HHG混合物的复数模量与应力曲线。c. 已以3D（0.75 wt。％SDC，0.75 wt。％CMH）分层的挤出HHG糊剂的图像：（i）18 G喷嘴10层，（ii）16 G喷嘴3层，（iii ）从25 G喷嘴喷出5层。d. 从底物上去除平衡的水凝胶设计。HHG配方具有挤出时流动的能力，由于胶体屈服应力而保持其形状，并在第二次离子交联反应完成后导致强烈的自增强结构。