开发兼具高强度且能保持固有韧性与弹性的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）仍是一项根本性挑战。目前，增强TPU的主要策略是引入动态非共价相互作用，例如氢键、配位键、π-π堆积等。这些相互作用在材料变形过程中发生可逆重排，从而耗散能量并提升机械强度。然而，过多的动态相互作用在卸载时往往导致较大的残余应变，进而影响材料的加工性能和弹性恢复。因此，如何在保持TPU固有高韧性与弹性的同时提高其强度，仍是该领域的核心难题。

  针对这一问题，四川大学王玉忠院士团队提出了一种多级氢键网络与可逆应变诱导结晶协同增强的分子设计策略：以聚(δ-戊内酯)(PVL)为软段，异佛尔酮二异氰酸酯和草酰二肼为硬段组分，合成得到新型TPU材料。其中，PVL软段赋予TPU在变形过程中链取向诱导的显著应变诱导结晶(SIC)行为。由此产生的应变硬化效应不仅提供了额外的可逆承载能力，还与氢键网络的动态物理交联形成协同作用，从而在不牺牲弹性恢复的前提下实现了高机械强度。最终制备的高性能TPU拉伸强度达88.4 MPa，韧性为445.4 MJ·m^-3，弹性恢复率超过90%。

  2026年5月26日，相关工作以“High-Performance Thermoplastic Polyurethane Elastomers with Simultaneously Enhanced Strength, Toughness, and Resilience Enabled by Synergistic Hierarchical Hydrogen Bonds and Strain-Induced Crystallization”为题发表在Advanced Functional Materials上，论文的第一作者为四川大学硕士研究生刘振雄，通讯作者为四川大学王玉忠院士、张杰副研究员。

图1聚氨酯弹性体的合成路线及协同增强机制示意图

  研究结果表明，PVL-ODH_30%的拉伸强度达88.4 MPa，韧性超过445 MJ·m^-3，显著优于对照体系PPDO-ODH。一片质量约0.2 g的PVL-ODH_30%弹性体薄片，可承受约自身重量15000倍的载荷而不发生断裂。该材料还表现出优异的循环回复性能：在300%应变下的连续加载-卸载测试中，循环曲线几乎完全重合，平均回复效率约为92%；即使在100%至900%的宽应变范围内，回复效率仍可保持在80%以上。缺口拉伸实验进一步表明，PVL-ODH30%的断裂韧性高达89 kJ·m^-2，显示出良好的抗裂纹扩展能力。

图2 聚氨酯弹性体的拉伸、循环回复、承载和抗撕裂等综合力学性能

  综合运用变温FTIR、二维相关红外光谱、SAXS、AFM、原位WAXS/SAXS以及梯度FTIR等多尺度分析手段，对材料结构演化进行了系统表征。结果表明，PVL-ODH弹性体中存在不同强度的氢键：强氢键有助于维持结构完整性，而弱氢键在变形过程中参与可逆能量耗散。原位WAXS进一步揭示，PVL-ODH_30%在拉伸至400%应变时出现明显的晶体衍射信号，卸载后该信号迅速消失，表明所形成的是随外力出现、卸载即消失的亚稳态晶体。热力学计算显示，其应变诱导结构形成所需的内能约为6.1 cal·g^-1，显著低于典型稳定聚合物晶体，这正是材料能够实现“受力增强，卸载恢复”特性的重要原因。

图3 原位WAXS/SAXS、梯度FTIR和红外热成像揭示 PVL-ODH_30%聚氨酯弹性体的可逆应变诱导结晶行为

  除力学性能外，PVL-ODH_x%还具有良好的加工性和生物相容性。论文展示了材料可通过3D打印、注塑和挤出等方式加工成支架、片材和管材等形态。细胞实验中，L929成纤维细胞在材料提取液中培养24 h后仍保持超过85%的细胞活性；大鼠皮下植入实验显示，炎症反应随时间减弱，8周后平均纤维囊厚度约为56 μm，组织反应刺激温和。这些结果说明，该类材料在软组织工程支架、柔性医用导管和术后防粘连薄膜等场景中具有进一步探索的潜力。

图4 加工性能，细胞及大鼠动物实验测试证实该聚氨酯弹性体兼具优异的加工性和相容性

  该研究通过将多级氢键网络与可逆应变诱导结晶引入同一TPU体系，实现了强度、韧性与回弹性的协同提升。其核心启示在于：高性能弹性体不仅需要强相互作用，更需在变形过程中构建能够临时承载并实现可逆恢复的多级结构。该策略为高性能聚氨酯弹性体及柔性生物医用材料的设计提供了重要参考。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75717