近年来，多功能水凝胶因其可设计的网络结构、优异的生物相容性及丰富的刺激响应性，在生物医学、柔性电子、软体机器人及环境工程等诸多前沿领域展现出巨大潜力，正逐步从基础研究走向实际应用。围绕多功能水凝胶材料的结构设计与性能调控，青岛科技大学高分子科学与工程学院史新妍教授团队联合中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队开展了系列研究，并取得重要进展。相关研究成果发表于国际知名期刊Chemical Engineering Journal 512(2025) 162310，Chemical Engineering Journal 529(2026) 173023和Small 22(2026) e10980。

一、 基于“水合-脱水协同调控”策略的高强韧可调控多功能水凝胶

针对传统水凝胶力学性能差、可调控范围窄、功能化单一的问题，研究团队提出了一种简便的“水合-脱水协同调控”策略，成功实现了聚乙烯醇（PVA）基材料从软质水凝胶到高强度工程塑料的连续、可逆性能转变，力学性能调控范围跨越多个数量级，此外，通过集成数字光处理3D打印技术，所制备的材料在水凝胶状态下可构建成具有惊人双重可逆形状记忆行为的不同结构模型，同时兼具优异的粘附性和导电性，适用于柔性传感器。

图1 高强韧可调控的多功能水凝胶

结果表明，“水合-脱水协同调控”策略显著调控了水凝胶的力学性能，拉伸强度可在0.02 ± 0.002 MPa至104.58 ± 4.4 MPa之间变化，模量可在0.002 ± 0.0004 MPa至592 ± 7.8 MPa之间调节，韧性可从14 ± 1 kJ/m³ 提升至 24,671 ± 469 kJ/m³。此外，该材料不仅在大范围内表现出可逆的力学性能调控能力，且在引入MgCl₂颗粒后，还展现出优异的粘附性切换、形状记忆行为以及出色的导电性。基于这些独特性能，我们通过将水凝胶材料的多种功能集成于一个平台，设计了一种用于脱位关节的智能固定系统，该系统不仅通过显著的力学性能变化实现脱位关节的固定与释放，还能实时监测水凝胶材料固定器在软-硬转变过程中的状态。这种柔性传感器与刚性工程塑料的创新集成，为组织工程和医疗设备开辟了广阔的应用前景，为先进的生物医学系统提供了一种多功能的解决方案。

研究成果以“3D printing functional materials with extreme regulation of mechanical performances from hydrogel to engineering plastic”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上，青岛科技大学高分子科学与工程学院史新妍教授、烟台先进材料与绿色制造山东省实验室吕阳助理研究员为通讯作者，博士研究生刘迪为第一作者，该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者计划等项目资助。

二、 基于“碱诱导分子聚集”策略的电磁屏蔽多功能水凝胶

可穿戴电子设备与物联网（IoT）的快速发展，对兼具轻量化、柔性和多功能的高性能电磁干扰（EMI）屏蔽材料提出了迫切需求。导电水凝胶因其优异的柔韧性和生物相容性，已成为满足这些需求的理想平台，然而，其实际应用受到制造工艺复杂、功能单一以及环境稳定性差等因素的限制。针对以上问题，团队提出了一种“碱诱导分子聚集”的快速成型策略，通过将高浓度碱引入聚乙烯醇/离子液体溶液中，并结合纤维素纳米纤维的增强作用，制备出多功能水凝胶。这项工作为先进的多功能水凝胶涂层建立了新的范式，为器件防护与功能集成提供了创新解决方案，并为柔性电子和物联网设备中的多功能封装与智能传感应用铺平了道路。

图2 “碱诱导分子聚集”快速成型电磁屏蔽多功能水凝胶

研究成果以“Alkali-induced molecular aggregation enabled rapid-forming PVA hydrogel electronic skin with multifunctional integration of protection, EMI shielding, and sensing”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上，青岛科技大学高分子科学与工程学院史新妍教授、烟台先进材料与绿色制造山东省实验室吕阳助理研究员为通讯作者，博士研究生刘迪为第一作者，该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、泰山学者计划等项目资助。

三、 定向冷冻具有多动态键合的各向异性抗疲劳水凝胶

针对传统功能性水凝胶在力学性能和环境适应性方面存在的局限性，特别是在长期使用过程中抗疲劳性能不足以及在极端条件下性能退化的问题，团队开发了一种将定向冷冻与多动态氢键网络相结合的协同策略。通过定向冷冻构建高度规整的各向异性微观结构，并结合纤维素纳米纤维（CNFs）和单宁酸（TA）形成的多尺度氢键网络，成功制备出具有卓越抗疲劳性能和适应性的高强度聚乙烯醇（PVA）基水凝胶。

这种PVA基水凝胶的设计与制备策略，为极端环境下水凝胶的应用提供了突破性解决方案，克服了传统水凝胶的固有限制，为拓展其在苛刻工况下的工程应用开辟了新途径。

图3 定向冷冻成型的各向异性抗疲劳水凝胶

研究成果以“Freeze-Casting Anisotropic Hydrogels with Multi-Dynamic Bonding for Enhancing Fatigue Resistance and Environmental Stability”为题发表在Small期刊上，烟台先进材料与绿色制造山东省实验室吕阳助理研究员、中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员为通讯作者，青岛科技大学高分子科学与工程学院博士研究生刘迪为第一作者，该工作得到国家重点研发计划、山东省重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162310

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173023

https://doi.org/10.1002/smll.202510980