环境响应性水凝胶可在外部刺激下发生结构重构，在智能传感、仿生驱动及软体机器人等领域展现出重要应用前景。传统响应型水凝胶多采用异质结构，由响应性区域与惰性基质构成，通常依赖于复杂的材料设计与制备工艺，且其形变模式及可重构能力有限。响应型均质水凝胶有望克服上述不足。然而，由于外部刺激的复杂性以及分子结构设计的高难度，开发具有可编程结构的均质水凝胶仍面临显著挑战。

  为此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员、阎敬灵研究员和乐晓霞副研究员提出了一种实现均质水凝胶在单一刺激下快速变形的新策略。受海星定向离子传输机制启发，本研究通过海水中的定向金属离子传输，设计了一种可实现三维结构成型的超分子聚酰胺酸盐（PAAS）水凝胶。该水凝胶含有高密度羧酸根阴离子，能够在海水刺激下，借助Ca²⁺/Mg²⁺与羧酸根之间的不对称交联作用，实现可编程的三维形态构建。此外，PAAS水凝胶的动态超分子网络赋予其优异的可重构性，可支持复杂三维结构的反复重塑。综上所述，该研究利用单一刺激实现了均质水凝胶中三维形态的快速编程，为环境相应性水凝胶提供了新的研究思路。

  2026年4月10日，相关研究成果以“Programming Homogeneous Hydrogels Using Directional Ion Transport toward Rapid 3D Reconfiguration”为题发表在ACS Nano期刊上。中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士后乔士亚为第一作者，陈涛研究员，阎敬灵研究员和乐晓霞副研究员为共同通讯作者。

  水凝胶的制备及形变工程：海洋棘皮动物（如海星）的运动行为由其管足系统所调控，该系统通过定向钙离子传输形成离子浓度梯度，从而为附肢运动提供驱动力。受此类离子介导运动方式的启发，通过超分子组装策略构建了PAAS水凝胶。该水凝胶中羧酸根阴离子的存在使其能够在海水驱动下实现程序化变形：海水中的金属离子（K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）渗透进入凝胶基质，形成空间不对称的离子交联网络（图1）。这种不对称性引发梯度收缩，产生内部应力不均，最终驱动宏观形变。基于上述原理，进一步开发了系列海水触发的程序化形态发生系统，可构建具有复杂空间几何结构的三维形体（如海星、立方体、蝴蝶等）。

图1. 受海星启发的PAAS水凝胶的制备及其可编程变形。

  水凝胶的海水响应机理：PAAS水凝胶在局部海水刺激下，表现出由离子梯度驱动的动态结构演变与宏观形变。当将浸有海水的滤纸置于凝胶指定区域后，海水中的水分子与金属阳离子（K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）逐渐向内渗透。初始阶段（t=0 min），孔隙结构均匀；随着海水渗透（t=2 min），沿厚度方向形成明显的梯度孔隙结构：靠近海水一侧孔径显著减小（约0.76 μm），远离一侧的孔径则较大（约3.84 μm）。该现象源于阳离子优先在表层富集，诱导局部超分子交联增强，网络密实度提高并发生收缩；而内部区域离子浓度较低，交联作用弱，相对膨胀（图2）。Ca2?和Mg2?的不对称传输直接引发凝胶内部产生差异化应力，导致宏观自发性弯曲变形。

图2.PAAS水凝胶的海水响应机理。

  水凝胶的海水响应行为：PAAS水凝胶在海水刺激下可发生快速、可编程的形变，其机制源于局域阳离子扩散诱导的不对称超分子交联。采用DMZ-PAAS-80水凝胶条带（40 μm×30 mm），对其上表面进行选择性海水图案化处理。海水中的水分子与金属阳离子迅速扩散进入凝胶，形成由表及里的浓度梯度，驱动局部超分子交联网络的不对称构建，从而产生定向内应力，最终演化为宏观弯曲运动。典型条件下（20 μL海水，40 μm厚），样品可在25秒内实现180°弯曲。相反，水凝胶样条完全浸没于海水会导致阳离子均匀分布，交联应力各向同性，形变可忽略。系统研究表明，形变动力学受多重参数调控：增大纵横比（长度/宽度）延长响应时间，而增加海水用量或提高金属离子浓度可显著加速弯曲形变（180°仅需6秒），增加凝胶厚度会因重力加载效应使响应时间从24秒延长至75秒（图3）。

图3.PAAS水凝胶的海水响应行为

  水凝胶的可编程变形：PAAS水凝胶在局部海水刺激下，可实现从二维平面到复杂三维结构的可编程形变。通过空间分辨的图案化技术，可调控样条的变形过程（图4）。有限元分析表明，局部应力梯度驱动变形行为。基于此原理，方形水凝胶可在海水刺激下自主折叠为三角形；沿对角线及中线施加多顶点刺激，可构建五角星与花瓣等曲线几何形态；通过界面刺激区可实现立方体自主折叠。更复杂的蝴蝶形平面结构在局部海水刺激下，70秒内完成完整体重构。该策略还可拓展至莲花、鲤鱼、啄木鸟等多种仿生构型。此外，PAAS水凝胶具备完全可重新编程的驱动循环特性。因此，PAAS水凝胶可作为可编程平台，借助几何编码的刺激与时序调控，实现空间和时间尺度上可分辨的形态重构。海水编程结构可在数分钟内溶解于去离子水，回收溶液可重复用于新图案的制备与形变。

图4.PAAS水凝胶的可编程变形

  综上所述，本研究成功制备了富含羧酸根的刚性聚酰胺酸盐水凝胶。通过模拟海星离子传输机制，水凝胶在海水介导下展现出优异的刺激响应性与可编程形变能力：Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子的定向迁移形成不对称离子梯度，引发快速弯曲与折叠。该机制支持对空间几何结构的精确调控，可构建花瓣、立方体等复杂形状，并实现类似折纸的重构。此外，海水处理后的水凝胶保持超分子网络稳定性，可在水中解离后反复编程。总体而言，该均质水凝胶兼具快速响应与复杂结构生成能力，为先进响应性聚合物水凝胶的设计提供了仿生新范式。

  该工作得到了NIMTE基金和宁波市自然科学基金（2023J408和2024J007）的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c19580