自然界中的软组织通常依靠精巧的拓扑组织和多层次动态相互作用，在复杂环境下实现优异力学性能与功能稳定性的协同统一。以红细胞为例，其内部由血影蛋白和肌动蛋白构筑的二维细胞骨架网络，通过可逆非共价相互作用与细胞膜协同耦合，使其在长期经历压缩、拉伸和剪切等外力作用的情况下，仍能保持稳定的形貌和良好的力学完整性。这种“局部动态重组、整体拓扑稳固”的结构特征，为高性能聚合物材料设计提供了重要启示。然而，现有合成聚合物体系往往难以同时兼顾力学强度、结构稳定性与动态适应性：传统共价交联网络虽具有较高强度，却容易在损伤后发生不可逆失效；超分子网络虽具备动态可逆特性，却常受限于网络稳定性不足。受红细胞细胞骨架结构的启发，若将机械互锁键引入有序骨架网络中，构筑兼具拓扑约束效应与分子运动自由度的机械互锁骨架网络，有望实现局部动态响应与整体结构稳定性的有机统一，为新一代高强韧、自适应聚合物材料的开发开辟新的设计路径。
受细胞骨架这一天然拓扑结构的启发，上海交通大学颜徐州、张照明团队设计并构筑了一类具有连续机械互锁索烃骨架（Catenane Framework）的动态聚合物网络（Mechanically Interlocked Networks with Catenane Framework, CFMIN）。该工作通过次序的自组装策略，将机械键引入有序骨架结构，实现了聚合物材料中“动态适应性”与“整体稳定性”的协同统一。该设计将机械键骨架所提供的拓扑约束与超分子相互作用的动态可逆性有机结合，使材料能够在局部发生动态重组和能量耗散的同时维持整体网络完整性，为高性能动态高分子材料设计提供了全新思路（图1）。
2026年6月13日，相关研究成果以“Cytoskeleton-Inspired Mechanically Interlocked Catenane Framework Enabling Robust yet Dynamic Polymer Networks” 为题发表在近期的《Advanced Materials》杂志上（DOI: 10.1002/adma.73742）。
图1.（a）红细胞膜下高度有序且动态可重构的细胞骨架网络结构示意图；（b）通过金属配位与主客体识别的次序自组装策略构筑金属超分子聚合物网络（MSPN）和机械互锁索烃骨架网络（CFMIN）的示意图；（c）机械互锁索烃骨架作用机制示意图，展示其在高温或外力作用下通过拓扑约束实现局部动态适应性与整体结构稳定性的协同统一。
研究团队首先利用三齿铂受体与双吡啶盐配体通过金属配位自组装构筑出二维多边形超分子网络（MSPN），随后利用冠醚修饰聚氨酯主链上的双苯并-24-冠-8（DB24C8）单元与双吡啶盐分子轴之间的主客体识别作用，实现冠醚环对超分子骨架的穿套，最终构筑出具有连续机械互锁索烃骨架的聚合物网络（图2）。在这一体系中，高密度机械键均匀分布于网络骨架之中，形成贯穿整个材料的拓扑约束结构。与传统依赖可逆键连接的动态网络不同，该连续机械互锁索烃骨架不仅赋予材料优异的动态响应能力，还能够有效维持网络整体完整性，为材料性能提升奠定了结构基础。
图2.（a）双吡啶盐配体、MSPN和CFMIN-4的1H NMR谱图；（b）三齿铂受体和MSPN的31P{1H} NMR谱图；（c，d）双吡啶配体和MSPN的N 1s高分辨XPS谱图；（e）通过DOSY NMR测定的线性聚合物（LP）和CFMIN-4的扩散系数；（f）CFMIN-4在THF中的溶胀行为及浸泡60 min前后的照片；（g）CFMIN-4薄膜中碳、氧和磷元素的EDS面分布图。
为了评估机械互锁骨架对材料性能的影响，研究团队对CFMIN与非互锁的对照体系进行了系统的比较（图3）。实验结果表明，机械互锁索烃骨架能够显著提升材料的力学性能。以代表性样品CFMIN-4为例，其杨氏模量（194.4 vs. 35.4 MPa）、拉伸强度（26.3 vs. 15.8 MPa）和韧性（128.0 vs. 70.8 MJ/m3）均较对照体系实现大幅提升。与此同时，材料在较大形变条件下仍能够保持良好的结构完整性和能量耗散能力，展现出兼具刚性与韧性的力学特征。
图3.（a）CFMINs-1–5的应力–应变曲线；（b）CFMINs-1–5的杨氏模量和韧性；（c）CFMIN-4、对照和线性聚合物（LP）的应力–应变曲线；（d）CFMIN-4和对照在150%应变下的循环拉伸曲线；（e）由循环拉伸测试计算得到的能量耗散值和阻尼能力；（f）通过SRFS实验测定CFMIN-4和对照的粘性耗散功；（g）CFMINs-2–4的SRFS粘性耗散功分析；（h）组合流变测试示意图；（i）CFMIN-4和对照在组合流变测试中的储能模量（G′）恢复行为。
为了进一步揭示其性能增强机制，研究团队结合流变学测试、蠕变恢复实验以及理论模拟开展了系统研究（图4）。结果发现，在外力作用下，机械互锁索烃骨架会经历分级的动态响应过程：首先发生主客体识别位点的可逆解离，随后冠醚环沿分子轴发生滑移运动，最终才触发金属配位键的断裂。不同层级动态相互作用依次被激活，形成连续且高效的能量耗散机制。这种逐级耗能过程能够有效缓解局部应力集中，延缓网络破坏，从而显著提高材料的强度和韧性。同时，机械键形成的拓扑约束使网络在局部连接解离后仍保持整体的网络完整性，为材料的结构恢复和性能保持提供了重要保障。
图4.（a，b）CFMIN-4和对照在不同应力下的蠕变–恢复曲线；（c，d）不同应力条件下CFMIN-4和对照的蠕变应变与残余应变的变化趋势；（e）CFMIN-4与对照在1.0 kPa应力下的蠕变–恢复行为比较；（f）CFMIN与对照的特征性交联结构单元的优化模型及CoGEF模拟得到的拉伸能量变化曲线。
除了优异的力学性能外，连续机械互锁索烃骨架还赋予材料优异的热稳定性（图5）。动态力学分析和应力松弛实验表明，CFMIN在高温环境下依然能够保持稳定的网络结构，甚至在180°C时仍维持动态交联状态，表现出远优于多数已报道主客体超分子聚合物网络的热稳定性。进一步研究发现，即使主客体相互作用在高温下发生解离，机械互锁结构仍能够将冠醚环限制在骨架内部，避免网络发生不可逆解体。机械键提供的拓扑约束与金属配位骨架形成协同稳定效应，使材料在保持动态重构能力的同时具备优异的耐热性能和结构稳定性，为动态聚合物在极端环境和复杂服役条件下的应用提供了新的设计思路。
图5.（a，b）CFMIN-4和对照的流变温度扫描曲线；（c，d）CFMIN-4和对照的温度依赖性应力松弛行为；（e，f）CFMIN-4和对照的时间–温度叠加主曲线；（g）CFMIN-4和对照的主曲线水平移动因子（aT）的Arrhenius拟合及活化能分析；（h）CFMIN-4与已报道的基于主客体相互作用的超分子聚合物网络解离温度比较。
综上，上海交通大学颜徐州、张照明团队通过借鉴红细胞细胞骨架“局部动态、整体稳定”的结构特征，成功构筑了一类具有连续机械互锁索烃骨架的动态聚合物网络（CFMIN）。该体系通过机械键拓扑约束与超分子动态作用的深度协同，实现了高强度、高韧性、高热稳定性以及动态适应性的统一，为开发兼具机械鲁棒性与环境适应性的下一代动态高分子材料提供了新的设计范式，也为机械互锁聚合物网络与拓扑高分子网络的发展开辟了新的研究方向。
上海交通大学博士后刘昱迒与博士生王文彬是该论文的共同第一作者，张照明副研究员与颜徐州研究员为共同通讯作者。本工作得到了上海交通大学化学化工学院俞炜教授的悉心帮助与指导。该工作得到了国家自然科学基金（22525106, 22471164, 52421006, 52333001, 22475128, 223B2113, 225B2114）、上海市科学技术重大专项的资助。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73742
