传统的水凝胶通常由于不均匀的交联以及链段移动受限而表现出有限的弹性范围。在同一种水凝胶中同时实现超塑性和超弹性是极具挑战性的。在此，研究人员基于一种单一的聚（[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)铵氢氧化物）（PSBMA）开发了一种两性离子水凝胶（PSM）。该水凝胶通过利用静电和疏水相互作用将链构象从自由状态转变为缠结状态，从而能够在原位实现从超塑性状态（PSM_2M，手动拉伸应变（λ）~ 120000%）到超弹性状态（PSM_6M，λ = 1200%，在2-10秒内完全恢复）的可逆转变。在此过程中，PSM的机械性能具有广泛的可调性，其模量范围为700 Pa至2 MPa，韧性范围为15-8000 kJ/m³。因此，这种水凝胶具有可变的机械响应特性，并且能够精确地复制生物组织的各种机械属性，为细胞和组织工程中所使用的材料提供了新的选择。

  2026年5月18日，相关研究以Topologically entangled zwitterionic hydrogels with reversible in situ transitions between ultraplastic and hyperelastic states为题发表在Nature Communications 上。文章通讯作者为湖南工业大学陈一教授。

  为实现水凝胶超塑性与超弹性的可逆原位转变，本研究提出基于拓扑缠结网络的单组分水凝胶构建策略，以两性离子单体SBMA制备无化学交联的PSM水凝胶，通过浓度调控链间疏水与静电作用的平衡，驱动构象可逆转变。低浓度的PSM_2M（2M，含水量64%）呈高度水合状态，拉曼光谱显示游离水占比高、静电和疏水相互作用较弱，聚合物链呈松散的自由连接链构象，形成拓扑自由网络，平均网格尺寸为39.8 nm，仅存在少量几何缠结，缠结度为3.6。高浓度的PSM_6M（6M，含水量37%）水合度低，未冻结结合水消失，疏水作用主导，链间静电排斥转为吸引，聚合物链卷曲形成螺旋缠结链，形成拓扑缠结网络，平均网格尺寸为11.3 nm，存在大量密集的螺旋缠结，缠结度升至69。通过拉曼、AFM、分子动力学模拟、低场核磁共振及静态光散射结果证实，浓度变化可调控自由水/结合水比例与静电相互作用强度，可逆切换链构象与拓扑网络，使PSM在超塑性与高弹性间可逆转变，为水凝胶性能调控提供新机制。

  本节研究具有不同拓扑结构的PSM水凝胶的性能差异。低浓度PSM_2M为拓扑自由网络，呈现超塑性，塑性比达96%，手动拉伸应变可达120000%而不断裂，远超现有水凝胶的应变水平。在单轴拉伸下，其应力-应变曲线具有应变速率敏感性，在低应变（80%）呈弹性，高应变下链滑移取向，不可逆塑性变形显著，SAXS证实拉伸中链间距持续减小、结构不可逆。高浓度PSM_6M为缠结拓扑网络，呈现超弹性，弹性比超90%，1200%应变下可完全恢复（2~10秒内）。其应力-应变曲线无应变速率依赖，拉伸时仅链伸长与部分取向，SAXS证实缠结网络可逆形变与复原。PSM_6M通过链缠结传递张力、耗散能量，实现优异弹性回复。

  PSM可实现机械性能和弹塑性在宽范围内的可逆转变，是水凝胶性能调控的重要突破。塑性状态（1.8–2.5 M）下，材料可多次塑形再加工，能将球形、立方体融合成复杂造型，再重塑为足球、篮球等形状，仍保持塑性；脱水至c≥5 M后转为弹性态，可承受22 kg负载并完全恢复，球形可稳定弹跳。PSM可通过溶胀-去溶胀、离子添加/去除实现原位可逆切换。单轴拉伸测试证实，PSM_2M解溶胀后可实现1000%应变下的可逆弹性回复，二次溶胀后恢复超塑性。PSM具有宽范围机械性能调节区间，模量700 Pa–2 MPa、韧性15–8000 kJ/m3、应变1000%–120000%，覆盖多数生物组织性能。其可逆转变源于拓扑域比例变化：浓度升高时缠结域占比从19%升至35%，过渡域下降，缠结度从3.5增至69；浓度降低则反向变化，微观结构可逆调控实现宏观弹塑性和机械性能调节。

图1. PSM的拓扑自由/缠结网络结构

图2. PSM的超塑性和超弹性

图3. PSM机械性能的宽范围调控

  总结：通过构建可逆的拓扑纠缠网络，研究人员成功开发出一种由单一PSBMA组成的水凝胶（PSM），它能够实现从超塑性到超弹性的可逆原位转变。与传统的水凝胶相比，PSM具有宽广的弹塑性范围（塑性比为97%至弹性比为98%）、可广泛调节的模量（700 Pa至2 MPa）、韧性（15至8000 kJ/m³）以及抗损伤能力（疲劳阈值达到 1050 J/m²）。这些特性源于特殊设计的两性离子聚合物中自由链与缠结链之间的可逆转换，这种转换由协同的静电和疏水相互作用以及在机械载荷作用下链滑移引起的定向和拉伸恢复机制驱动。由于其固有的生物相容性，PSM有效地促进了细胞增殖。基于独特的聚合物网络结构和弹塑性机械特性，PSM在调节细胞形态和生长尺寸方面显示出潜力。此外，PSM具有良好的外泌体封装和缓释特性，负载外泌体的PSM在促进慢性糖尿病伤口愈合方面效果显著。总之，PSM有效地克服了传统水凝胶固有的弹塑性性能限制，在生物医学应用中具有巨大的潜力，包括细胞和组织工程以及糖尿病伤口管理。此外，本研究引入了一种结构设计范式，为定制水凝胶系统的结构和功能特性提供了一种合理且实验上可行的策略。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73355-y