针对上述问题，安徽理工大学王文新团队提出了一种通用的单网络可注射水凝胶增强策略，通过在均一刚性骨架中引入柔性长链结构，实现能量耗散与高弹性的协同。具体而言，以透明质酸（HA）构建均一且相对刚性的网络框架，在受力过程中既提供弹性支撑，又在断裂时参与能量耗散；同时，引入聚乙二醇（PEG）柔性长链作为桥接结构，在变形过程中独立承载应力并增强体系弹性，同时维持网络完整性。该“框架-柔性链”（FF）结构能够在微观层面扩大裂纹尖端的塑性区，促进更多链段协同受力，从而显著提升水凝胶的韧性和抗疲劳性能。重要的是，该策略在增强力学性能的同时，仍保留了水凝胶的可注射性和良好的生物相容性。该文章于2026年4月19日以《Tough Injectable Hydrogels Enabled by Integrating Rigid Homogeneous Framework With Flexible Chains》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202532133）。

图1 研究示意图. 可注射FF水凝胶的设计理念及增韧机理。(A) 可注射FF水凝胶的形成是通过丙烯酸酯修饰的HA与硫醇修饰的HA之间的硫醇-迈克尔加成反应，并将柔性PEG链引入HA网络中实现的。(B) 传统SN水凝胶和FF水凝胶的压缩性能及应力分布对比。

（1）FF水凝胶的结构设计与配置

选用透明质酸（HA）和聚乙二醇（PEG）构建FF水凝胶，其中HA形成刚性均一网络骨架，PEG作为柔性长链引入网络结构。通过双筒注射器实现两组分混合，丙烯酰化HA（HA-A）与巯基化HA（HA-SH）及二巯基PEG（PEG-DSH）在注射过程中发生巯基-Michael加成反应，形成交联网络。其中HA-A与HA-SH交联构建刚性框架，PEG长链嵌入其中；在巯基与丙烯酸基数量相等条件下，PEG-DSH与HA-SH的质量比决定柔性链与刚性骨架的比例。采用不同取代度（SD%）的HA-SH及不同分子量（Mw）的PEG-DSH构建单网络水凝胶，以评估FF设计对力学性能的影响。水凝胶体系以Ax+By/Pz表示，其中x、y分别为HA-A与HA-SH的取代度，z为PEG-DSH分子量。通过三种典型网络构型进行对比分析：A₁₀+B₂₀/P_4k（图2）、A₁₀+B₁₀/P_8k（图3）和A₁₀+B₄/P_20k（图4）。

图2. 不同比例的刚性HA-SH (B₂₀ )短链和柔性PEG-DSH (P_4k )长链的A₁₀ + B₂₀/P_4k水凝胶的网络演变和力学性能。(A) B₂₀被P_4k取代过程中网络结构的示意图。(B) 压缩应力-应变曲线表明，P_4k含量的变化显著影响极限应力和应变，极限应力随P_4k含量的增加而增大，并在较高含量下达到平台期。 （C）压缩韧性随着网络均质化而增加，在 1/9 成分附近达到峰值，在 0/10 时略有下降。（D）G’随着 P_4k含量的增加而逐渐降低，这与网络柔韧性的增加和刚度的降低相一致。

图3. 不同比例的刚性HA-SH（B₁₀ ）短链和柔性PEG-DSH（P_8k ）长链构成的A₁₀ + B₁₀ /P_8k水凝胶的网络演变和力学性能。(A) B₁₀被P_8k取代过程中网络结构的示意图。(B) 压缩应力-应变曲线表明，B₁₀/P_8k比例的变化显著影响力学响应，极限应力随P_8k含量的增加而增大，然后趋于稳定。 (C) 随着网络均质化的进行，压缩韧性显著提高，在P_8k含量适中时达到最大值，在最高取代度时略有下降。(D) G’随P_8k含量的增加而逐渐降低，这与网络柔韧性的增加和刚度的降低相一致。

图4. 不同比例的刚性HA-SH（B₄）短链和柔性PEG-DSH（P_20k）长链构成的A₁₀+B₄/P_20k水凝胶的网络演变和力学性能。( A )用P_20k取代B₄过程中网络结构的示意图。A₁₀ + B₄ /P_20k - 10/ 0水凝胶包含一个相对不均匀的SN骨架，链长对比度有限.  (B) 压缩应力-应变曲线表明，B₄/P_20k比例的变化显著影响力学响应，极限应力和应变均增大，并在P_20k含量适中时达到最大值。 (C) 随着P_20k含量的增加，压缩韧性增强，在 5/5 配比时达到峰值，之后随着取代率的增加而降低。(D) 随着 P_20k含量的增加，G’逐渐降低，这与网络柔性的增加和刚度的降低相一致。

（2）FF水凝胶的增韧机理和力学性能

在相同聚合物含量（1.5 wt.%）条件下，不同FF水凝胶体系表现出显著差异的力学性能（图2-4）。A10+B20/P4k体系中，随着PEG长链逐步替代HA短链（10/0→0/10），网络均一性提高，极限应力由0.065 MPa提升至约0.3 MPa，极限应变和韧性同步增加（图1B,C）；但完全替代后能量耗散能力下降，韧性略降低（12.05→11.28 kJ/m³），储能模量G’由1966降至694 kPa（图2D）。A₁₀+B₁₀/P_8k体系中，初始均一网络（10/0）表现出较高强度（约0.24 MPa），少量引入PEG（9/1）后极限应力升至0.39 MPa（图3B）；进一步增加PEG比例后，应力维持在0.38–0.35 MPa区间（9/1→4/6），随后因网络不均一性增加而下降至0.16 MPa（0/10）（图3B），韧性呈“先升高—平台—下降”趋势（图3C），G’由1258降至465 kPa（图3D）。上述结果表明，网络均一性主要影响强度，刚柔链长差异决定能量耗散与韧性，二者需协同平衡。A₁₀+B₄/P_20k体系实现了刚性框架与柔性长链的平衡结构。随着B₄被P_20k逐步替代，网络由不均一趋于均一，同时裂纹尖端塑性区扩大（图4A）。在5/5比例下形成优化FF结构，压缩极限应力约1 MPa，韧性达31.77 kJ/m³（图4B,C）。继续增加P_20k比例（4/6→0/10）导致结构退化，强度与韧性快速下降，同时G’持续降低（图4D）。结果表明，通过调控刚性框架均一性与柔性长链比例，可在单网络水凝胶中实现力学性能的精确调控；最佳性能来源于二者的协同平衡，在低聚合物含量下仍可显著提升抗裂与能量耗散能力（图2-4）。 

（3）FF水凝胶的抗疲劳性能

低交联单网络水凝胶虽具备较大变形与弹性恢复能力，但因缺乏有效能量耗散机制，难以满足重复载荷需求；刚性网络虽可通过链断裂耗散能量，但在循环过程中易产生结构损伤。FF水凝胶通过引入均一刚性框架与柔性长链，实现能量耗散与结构稳定的平衡。在循环压缩测试中，不同体系表现出显著差异（图5A–C）：A₁₀+B₄/P_20k-10/0初始滞回环明显但随循环逐渐减小（图5A）；A₁₀+B₄/P_20k-0/10滞回环始终较窄（图5C）；A₁₀+B₄/P_20k-5/5在20次循环中保持较大且稳定的滞回环（图5B）。定量分析显示，A₁₀+B₄/P_20k-5/5在首循环中耗散能量为1.073 kJ·m^-3（33%）（图5E），高于A₁₀+B₄/P_20k-10/0的0.451 kJ·m^-3（18%）（图5D）及A₁₀+B₄/P_20k-0/10的0.018 kJ·m^-3（1%）（图5F）。循环20次后，A₁₀+B₄/P_20k-10/0的极限应力和韧性分别下降13%和17%，A₁₀+B₄/P_20k-0/10分别下降6%和10%，而A₁₀+B₄/P_20k-5/5仅下降6%和11%，表现出更优的抗疲劳性能（图5D–F）。结果表明，FF结构可在保持网络完整性的同时实现高效能量耗散。

图5. A₁₀ +B₄ / P_20k水凝胶在20次连续压缩-应变循环下的疲劳行为。(A) A₁₀ +B₄ / P_20k - 10/0水凝胶在20次连续加载-卸载循环中滞后环逐渐减小，表明其结构损伤累积。(B) A₁₀ + B₄ / P_20k - 5/5 FF水凝胶在所有循环中均保持较大且稳定的滞后环，反映出其高效且无损的能量耗散能力。(C) A₁₀ + B₄/ P_20k - 0/10水凝胶仅表现出极小的滞后环，与其较低的能量耗散能力相符。 (D) A₁₀ + B₄/ P_20k - 10/0水凝胶的总韧性和耗散韧性在连续循环中均显著下降，反映了刚性主导网络内部应力集中造成的累积损伤。(E)  A₁₀ + B₄/ P_20k - 5/5 水凝胶在第一个循环中表现出最高的耗散能量，并在所有循环中保持总韧性和耗散韧性的相对稳定平衡，表明其具有高效且无损的能量耗散能力和优异的真正抗疲劳性能。(F) A₁₀ + B₄/ P_20k - 0/10水凝胶的总韧性和耗散韧性变化很小，这主要是由于其承载能力低且能量耗散极小，从而限制了循环过程中结构损伤的累积。

（4）通过浓度和链长调控力学性能

在相同交联密度下，通过调节柔性长链与刚性框架比例，可显著改变FF单网络水凝胶的力学性能；此外，聚合物浓度与柔性链长度同样影响其力学行为。A₁₀+B₄/P_20k-5/5体系在不同聚合物浓度下表现出随浓度升高而增强的力学性能（图6A–C）：当浓度由1%提高至3%时，极限应力提高约8.2倍、韧性提高约7.5倍、储能模量G’提高约10倍，同时极限应变由87.14%下降至79.98%（图6A–C）。在固定浓度条件下，不同分子量PEG链对性能产生显著影响（图6D–F）：A₁₀+B₄/P_20k-5/5的极限应力（1.0 MPa）和极限应变（85.86%）高于A₁₀+B₄/P_8k-5/5（0.30 MPa，73.90%）和A₁₀+B₄/P_4k-5/5（0.15 MPa，70%）（图6D）；韧性由8.92 kJ·m^-3（4 kDa）提升至15.22 kJ·m^-3（8 kDa）和31.77 kJ·m^-3（20 kDa）（图6F）；同时，随着PEG链长增加，G’逐渐降低（图6E）。结果表明，聚合物浓度主要通过提高网络致密度增强强度与刚度，而柔性链长度主要调控韧性与变形能力（图6A–F）。

图6. 通过调节聚合物浓度和柔性链长度，可以调控FF水凝胶的力学性能。(A) 不同聚合物浓度下制备的A₁₀+B₄/P_20k-5/5水凝胶的压缩应力-应变曲线，表明极限应力随浓度增加而显著增大。(B) A₁₀+B₄/P_20k-5/5水凝胶的G’值随浓度增加而逐渐增大，这是由于网络密度和刚度的增加所致。(C) A₁₀+B₄/P_20k-5/5水凝胶的压缩韧性随聚合物浓度的增加而显著增强，表明其承载能力和能量耗散能力得到改善。(D) 不同PEG链长度的A₁₀+B₄/P_x-5/5水凝胶的压缩应力-应变曲线，表明较长的柔性链显著提高了极限应力和极限应变。 (E) A₁₀+B₄/P_x-5/5水凝胶的G’值随 PEG 分子量的增加而降低，这是由于交联间距增大和网络松弛程度增加所致。(F)A₁₀+B₄/P_x-5/5水凝胶的压缩韧性随 PEG 链长的增加而显著提高，表明长柔性链在促进能量耗散和增强整体机械强度方面起着至关重要的作用。

（5）一种通用的增韧SN水凝胶的FF策略

构建B₂₀+A₁₀/O_8k体系验证FF结构对单网络水凝胶的普适增强作用，其中以PEG-DA（O_8k）逐步替代HA-A（A₁₀）。随着替代比例增加，水凝胶的极限应力与韧性呈现先升高后降低的趋势（图7A）。在B₂₀+A₁₀/O_8k-5/5条件下形成平衡结构，其压缩极限应力由0.06 MPa提升至0.16 MPa，韧性由5.86 kJ·m⁻³提升至11.16 kJ·m^-3（图7A,C）。尽管PEG分子量较低（8 kDa），该体系韧性仍实现超过2倍提升，表明FF结构可有效改善单网络水凝胶的力学性能（图7A,C）。

图7. 不同刚性HA-A ( A₁₀ )短链和柔性PEG-DA (O_8k )长链比例的B₂₀ + A₁₀ /O_8k水凝胶的网络演变和力学性能。(A) 压缩应力-应变曲线表明，A₁₀/O_8k比例的变化显著影响力学响应，极限应力和应变均随O_8k含量的增加而增大，并在中间O_8k含量处达到最大值。 (B) B₂₀ + A₁₀/O_8k水凝胶的G’值随O_8k含量的增加而逐渐降低，这是由于交联间距减小和网络结构更加松弛所致。(C) B₂₀ +A₁₀ / O_8k水凝胶的压缩韧性在中间O_8k比例处显著提高，这与FF结构中能量耗散能力的增强相一致。

（6）保持FF水凝胶良好的细胞相容性

所有可注射水凝胶制备过程中未使用有毒单体、交联剂或引发剂，表现出良好的细胞相容性。HaCaT细胞在各组中均呈现良好生长状态（图8A），TC板组细胞呈典型多边形或梭形，而水凝胶表面细胞多呈团簇状分布。与A₁₀+B₄/P_20k-5/5相比，不含PEG的A₁₀+B₄/P_20k-10/0组显示更高的绿色荧光强度及细胞增殖水平（图8A,B）。引入PEG后，细胞在第1和第3天的增殖活性降低（图8B）。各组均未观察到明显死细胞染色，表明水凝胶整体具有良好的细胞相容性（图8A）。

图8. A₁₀ +B₄ / P_20k水凝胶的细胞相容性评估。(A) 将HaCaT细胞培养于TC板（空白组）、A₁₀+B₄/P_20k-10/0组和A₁₀+B₄/P_20k-5/5水凝胶上1天和3天，并进行活/死细胞染色。绿色荧光表示活细胞，红色荧光表示死细胞。所有组均表现出较高的细胞存活率，且未观察到明显的死细胞染色。(B) 第1天和第3天的alamarBlue定量细胞活力检测。两个水凝胶组的细胞活力均与空白对照组相当，其中含PEG的A₁₀+ B₄ / P_20k - 5/5水凝胶组的细胞增殖略有降低。比例尺：200 µm。代表性图像随机选自重复样本（n = 3），数据以平均值±标准差（n = 3）表示。