皮肤是人体与外界环境之间的关键界面和保护屏障，既要在动态、非结构化场景中维持生理完整性，又要同时具备机械稳健性、多功能性和多模态感知。水凝胶因柔软、富水而成为传统电子皮肤的有力候选，但网络顺应性与结构完整性之间的固有权衡，使其难以兼顾皮肤级机械稳健性和多功能性。多网络架构、纳米复合和链缠结等策略虽有进展，但链缠结网络在变形中易发生过度链滑移和结构无序，单纯纳米结构增强又不足以满足人工皮肤对可逆分子相互作用、高效恢复、离子传输和多模态感知的需求。因此，如何将纳米尺度结构增强、拓扑链缠结和动态超分子相互作用整合为统一网络，成为关键挑战。

针对这一挑战，新加坡国立大学翟玮助理教授团队提出一种基于超分子缠结网络并由氢键缔合纳米域增强的皮肤样一体化水凝胶。在该架构中，氢键缔合自组装纳米域、聚合物链缠结、动态静电相互作用和可逆金属—配体配位协同作用，使网络同时具备机械稳健性和动态适应性，从而协调机械性能、多功能与多模态感知之间的固有权衡。基于此，研究者构建了人工皮肤，用于监测呼吸、检测运动和操控机器人夹爪，为更精确复现天然皮肤综合性能的智能应用提供了材料平台。相关论文以“A skin-like, all-in-one hydrogel engineered via a supramolecular entangled network reinforced with hydrogen-bond–associated nanodomains”为题，发表在Science Advances上。

在材料设计上，研究者将单体溶液经添加PAA、紫外固化和浓度驱动自组装，制备出SA-CPH，并在网络中原位形成氢键缔合纳米结构，同时引入链缠结、静电作用和Ca²⁺配位；所得水凝胶兼具高透明、机械稳健、耐冻、自粘附、自愈合、3D打印、可降解等特性，并与人类皮肤在关键性能方面具有可比性。

图1 SA-CPH的示意图说明

研究者通过XRD、SAXS、AFM和MD模拟证明，PAA引入后形成均匀分散、相互连接的氢键缔合纳米域，纳米域间距随PAA增加由17.5 nm降至13.8 nm，相关长度由6.8 nm增至15.6 nm，脱水过程中PAA链段间氢键比例由约20%升至近70%；流变测试显示随PAA分子量增加，平台模量升高、松弛时间由17 s延长至45 s和76 s，循环拉伸滞后降低，NMR、DFT和DLS进一步支持静电缔合与可逆Ca²⁺配位的协同构建，温度依赖FTIR和2DCOs则表明氢键纳米结构比水分离离子复合物更稳定。

图2 SA-CPH中由氢键缔合自组装纳米域增强的超分子缠结网络

在力学性能上，SENHN架构使SA-CPH在PAA浓度0.5 wt%时拉伸强度达5.27 MPa，为纯PEAMC水凝胶的105倍，断裂伸长率和韧性分别达到纯PEAMC水凝胶的约2.4倍和127倍，达1216%和21.58 MJ／m³；其真应力—应变曲线呈J形应变硬化，微分模量在1216%应变时达22.3 MPa，同时保持低滞后和高回弹，穿刺力57.3 N、穿刺应力7.4 MPa，缺口断裂能12.4 kJ／m，约为人类皮肤的4.8至7.3倍，循环缺口拉伸下应变场稳定，压缩应力在60%应变时约2.12 MPa，压缩模量约1.26 MPa，体现出纳米域稳定局部网络、缠结链逐步承载以及可逆相互作用持续重组所实现的协同增强。

图3 SA-CPH的力学性能

在多功能性上，SA-CPH在液氮（−196 ℃）中保持结构完整和透明，回到25 ℃后90 s内恢复透明柔韧，对照样品约需980 s且仅部分恢复，其冰点被显著压低至−75 ℃以下；水凝胶对玻璃、环氧树脂、铜和聚乙烯等基材具有强粘附，玻璃上90°剥离界面韧性达179 J／m²；完全切断后24 h可自愈合，拉伸强度愈合效率93.7%，电导率愈合效率接近100%，水分刺激10、20、30 s可将愈合时间缩短至19、15、13 h；同时具备3D打印能力，并在PBS中120天内显著降解，显示出环境稳健、界面适应、自主愈合、制造兼容和可降解的统一功能。

图4 SA-CPH的多种功能

在电子皮肤演示中，SA-CPH对温度、应变和压力均产生稳定电响应；集成到口罩过滤层后可区分正常呼吸（约12 bpm）、运动后呼吸（约35 bpm）和模拟阻塞性睡眠呼吸暂停—低通气综合征的异常呼吸（小于12 bpm），并可监测手指、腕、肘运动，以及在坐、走、跑、跳过程中监测足、膝、大腿和肩部运动；6×6压力传感器阵列可准确重建圆柱物体在边缘和中心位置的压力分布；将SA-CPH电子皮肤集成到电机驱动夹爪并采用PID闭环控制后，抓取海绵和超轻气凝胶时可根据电容反馈自动稳定夹持距离，避免过度夹持造成变形或断裂。

图5 SA-CPH电子皮肤的概念验证演示

总体而言，该工作将氢键缔合纳米域、广泛链缠结、可逆静电缔合和动态Ca²⁺配位整合为统一的SENHN超分子框架，在单一软材料中同时实现纳米结构组织、持久拓扑约束和可逆分子连接，克服了软聚合物网络中机械稳健性与动态适应性之间的长期权衡。SA-CPH无需异质集成或层级结构设计，即集高强度、高韧性、高回弹、应变硬化、抗穿刺、抗撕裂、透明、耐冻、粘附、自愈合、长期稳定、可降解、3D打印和多模态感知于一体，并已用于可穿戴生理监测和机器人智能感知与操控。该架构为可穿戴生物电子、智能机器人和人机界面中的多功能水凝胶提供了可转移的设计框架。

（来源：高分子科学前沿）