摘要：大家好！今天一起来了解一种具有预应力张拉整体结构的水凝胶。这名字听起来是不是有点拗口？别担心，咱们一步步来了解它。为啥要研究这种水凝胶呢？它可有大用处，能为很多领域带来新突破，快跟我一起看看吧！
大家好！今天一起来了解一种具有预应力张拉整体结构的水凝胶。这名字听起来是不是有点拗口？别担心，咱们一步步来了解它。为啥要研究这种水凝胶呢？它可有大用处，能为很多领域带来新突破，快跟我一起看看吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、张拉整体结构
张拉整体结构的特点：张拉整体结构在大自然和建筑设计里都很常见哦。它就像是把坚硬的“小木棍”（刚性受压部件）和有弹性的“橡皮筋”（连续受拉部件）巧妙地组合在一起。这样的结构有啥厉害之处呢？它的强度和重量的比例超棒，机械性能也十分出色。
在生物系统中的作用：在细胞里，张拉整体结构可是个“大功臣”。它让细胞的骨架和细胞外基质既强韧又有弹性，对细胞的各种功能都很重要。
二、水凝胶的现状与挑战
科学家们为了让水凝胶更厉害，想了好多办法。像双网络设计、先进的机械化学方法等，这些方法让水凝胶在韧性方面有了很大进步。还有，通过生物矿化，水凝胶的硬度也能大大增强。
不过呢，要让水凝胶同时具备高硬度、高韧性、双模量行为（也就是在拉伸和压缩时表现不同），还能保持高含水量，这可太难了。现有的水凝胶，要么硬度上去了，含水量却少了；要么没有双模量这个特殊本领。
所以，研究出满足这些条件的水凝胶，一直是大家努力的方向。
三、新型水凝胶的诞生
研究人员从生物系统里找到了灵感，模仿细胞骨架和人体筋膜骨骼系统的张拉整体结构，来设计水凝胶。细胞骨架就像是用微管做“硬骨头”，用肌动蛋白丝做“软连接”，特别有弹性。
这种水凝胶是由预应力聚合物网络和机械互锁的刚性氨基酸晶体棒组成的。制作的时候，先把碱性磷酸酶（ALP）接到水凝胶网络上，它能像个“小指挥”一样，引发氨基酸晶体棒在水凝胶里原位生长。这些晶体棒长大以后，和聚合物网络相互作用，就形成了张拉整体结构。
四、水凝胶的性能
结构特征：从显微镜下看，酪氨酸晶体棒是棱柱形状的，又硬又结实。水凝胶制备好后，没加晶体的ALP/PAAm水凝胶又软又透明，加了晶体的TG水凝胶就变得不透明，还更硬更有韧性。这都是因为酪氨酸晶体棒在里面起了大作用，它们相互交织，让水凝胶的结构更紧密。
内部应力与结构确认：为了确定水凝胶里真的形成了张拉整体结构，我们用绿色荧光蛋白（GFP）来“侦查”内部的拉力。随着晶体棒生长，GFP荧光变弱，这就说明聚合物链被拉伸了，内部应力在增加。而且，通过观察微球的位移，发现TG水凝胶在受力时能让应力传得更远，这也证明了张拉整体结构的存在。
机械性能：TG水凝胶的机械性能太出色啦！它的拉伸模量能达到30MPa，压缩模量也有2.3MPa，断裂能高达2600J/m²，拉伸和压缩模量的比值能到13呢。和其他水凝胶比起来，它在硬度、韧性和保持高含水量方面都更厉害，而且还有独特的双模量特性。
结构与性能的关系：随着晶体棒不断生长，水凝胶从透明变软变得不透明变硬，各种性能也在变化。比如拉伸模量、压缩模量都在增加，拉伸和压缩模量的比值也在变。这说明晶体棒的生长对水凝胶的结构和性能影响很大，它们之间的关系很奇妙。
五、分子动力学模拟
模拟过程：科学家们还借助分子动力学模拟，从微观层面研究水凝胶。在模拟里，让晶体核在聚合物网络里生长，看看会发生什么。结果发现，晶体棒越长，聚合物网络受到的拉力就越大。
模拟结果：模拟结果让我们更清楚地了解了水凝胶的力学性能。它在拉伸和压缩时的不同表现，还有内部应力对晶体棒排列的影响，都被模拟出来了。这就像是给我们提供了一个微观世界的“放大镜”，让我们看到水凝胶内部的奥秘。
六、水凝胶的应用前景
这种具有预应力张拉整体结构的水凝胶，未来的应用前景可太广阔啦！在生物医学领域，它能当细胞培养和组织修复的支架，为细胞提供合适的环境。在软机器人方面，它可以用来做灵活的“皮肤”，让机器人能更好地适应各种力。总之，它能为很多领域带来新的发展机遇。
七、一起来做做题吧
1、关于张拉整体结构，以下说法正确的是
A. 仅存在于建筑设计中
B. 由刚性受拉部件和连续受压部件组成
C. 具有高的强度 - 重量比
D. 在生物系统中作用不大
2、现有水凝胶技术面临的主要挑战是
A. 无法提高韧性
B. 不能实现生物矿化
C. 难以同时具备高硬度、高韧性、双模量行为和高含水量
D. 无法进行双网络设计
3、制备具有预应力张拉整体结构的水凝胶时，碱性磷酸酶（ALP）的作用是
A. 增加水凝胶的含水量
B. 引发氨基酸晶体棒的原位生长
C. 使水凝胶更透明
D. 降低水凝胶的硬度
4、在确认 TG 水凝胶形成张拉整体结构的实验中，绿色荧光蛋白（GFP）的作用是
A. 标记晶体棒的位置
B. 作为荧光力探针探测聚合物网络内部拉力
C. 使水凝胶发出绿色荧光以便观察
D. 加速晶体棒的生长
5、TG 水凝胶在机械性能方面的优势不包括
A. 高拉伸模量
B. 高压缩模量
C. 低断裂能
D. 双模量特性
参考文献：
Xue, B., et al. Hydrogels with prestressed tensegrity structures. Nat Commun 16, 3637 (2025).
来源：知识泥土六二三