水凝胶在软体机器人、人机界面、柔性电子与组织工程等领域具备广阔应用前景，但其含水环境会削弱高分子链间相互作用，常规水凝胶普遍存在力学强度不足、长期浸泡后溶胀软化，刚度与抗裂性能难以兼顾的瓶颈。结晶微区既可作为物理交联点承载载荷，又可通过链段滑移与重排耗散能量，是提升水凝胶力学性能的重要路径；但传统冷冻成型、简单拉伸手段仅能实现宏观取向，很难同步精准调控初生晶区尺寸、链段运动能力以及后续致密化过程。借鉴热塑性纤维工业“适度初始结晶 - 拉伸取向 - 结晶锁定” 的成熟强化逻辑，将这套结晶工程策略迁移至含水高分子网络，同步实现高强、高模、高断裂能与抗溶胀水凝胶，仍是极具挑战的课题。

图 1 取向结晶增强水凝胶的设计与制备

  近期，Langchen Yan, Yan Wang, Chenxi Li, Jian Zhao, Hong Zhang, Yumei Gong, Jing Guo, Yike Li, Shengfa Wang, Jiefeng Gao 等发展了一套 “碱活化 - 超拉伸取向 - 甘油 / 海水致密化” 连续结构调控路线，以 PVA 为基体、少量 CNF 调控打印墨水流变性能，先通过 DIW 3D 打印制备初始凝胶构件；借助 NaOH 活化 PVA 羟基并生成细小初生晶区，降低高倍率拉伸时链段运动阻力；再设置梯度预拉伸比诱导分子链与纳米纤维束定向排列，随后依次进行甘油浸泡与富离子海水置换，构建多级取向结晶网络。该体系无需额外共价交联剂，通过取向结晶精准调控，充分水合状态下 A16G-S 水凝胶拉伸强度可达 160.0 MPa、模量 746.0 MPa、断裂能 26.4 kJ/m2，对应的干态塑料强度高达 414.2 MPa；A16G-S 水凝胶在海水中连续浸泡 30 天后力学强度基本维持不变，展现出取向结晶网络与抗溶胀协同的独特优势。研究人员借助流变、FTIR、NMR、同步辐射 SAXS/WAXS、偏光显微镜、SEM、单轴拉伸、纯剪切、加载卸载循环等表征手段，系统解析了碱活化、预拉伸、甘油海水致密化各自的结构贡献，证实预拉伸程度能够连续调控结晶度、晶粒尺寸、Herman 取向因子与纳米纤维取向比例，晶区的精细化、高取向化是力学性能大幅提升的核心；同时该材料还具备可逆的凝胶塑料转变能力，多次脱水复水循环后力学性能仍可较好保留。该工作跳出单纯提高聚合物浓度、大量纤维共混的传统增强思路，把热塑性高分子结晶工程范式移植到水凝胶体系，为同时实现高强高模、抗裂以及长期水下稳定的水凝胶提供了全新方案。

  2026年11月5日，该工作以 “Strong hydrogels through precisely oriented crystallization regulation” 发表于《Nature Communications》，大连工业大学王艳课题组为第一完成单位，中国科学技术大学、大连理工大学、扬州大学相关课题组共同参与本项研究。研究得到国家自然科学基金，辽宁省科技厅基金，辽宁省教育厅基本科研业务费，高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）开放课题项目资助。

图 2 碱活化与甘油 — 海水致密化的结构作用机制

图 3 预拉伸比例决定强度、模量、断裂能与取向结构

图 4 充分浸泡 30 天后的抗溶胀与力学保持

图 5 可逆脱水复水、干态超强塑料及耐化学环境

  该工作是团队在结晶型高强水凝胶方向的重要进展。结晶水凝胶的力学上限长期受制于晶核形成、晶粒生长与链段取向的耦合调控难度，传统方法很难独立区分取向、晶粒尺寸、溶剂置换等因素对力学与溶胀行为的贡献。为此团队建立了分步可控的后处理工艺，通过控制变量对比碱活化、甘油、海水置换、处理顺序、预拉伸倍率等条件，厘清了各组分与工艺步骤的功能分工：PVA 构成承载主网络并提供结晶位点；CNF 调控流变实现打印成型；NaOH 优化初生晶区、释放链段运动能力；甘油促进取向之后的链凝聚；海水离子实现盐析致密、置换甘油并稳定晶区网络；预拉伸则构筑多级取向纳米纤维束与各向异性晶畴。该策略实现了晶区结构、取向度与溶胀行为的协同调控，获得了湿态超高强度、海水长期稳定、凝胶塑料可逆转变一体化的水凝胶材料，为面向海洋、水下等严苛工况的承载型水凝胶设计提供了清晰的结构证据链。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-79005-7